JPH09223831A - Piezoelectric thin film, and its manufacture and ink jet recording head using it - Google Patents
Piezoelectric thin film, and its manufacture and ink jet recording head using itInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の背景】発明の分野 本発明は、インクジェット記録装置等にアクチュエータ
ーとして用いられる圧電体薄膜に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric thin film used as an actuator in an inkjet recording device or the like.
【0002】背景技術 チタン酸ジルコン酸鉛(以下、「PZT」と記すことが
ある)に代表される圧電体、強誘電体薄膜は、スパッタ
法、ゾルゲル法、CVD法、レーザアブレーション法等
で製造することができる。 [0002] lead zirconate titanate piezoelectric represented by (hereinafter sometimes referred to as "PZT"), ferroelectric thin film, a sputtering method, a sol-gel method, CVD method, produced by the laser ablation method or the like can do.
【0003】特にゾルゲル法は組成制御性に優れてい
る。また、ゾル組成物の塗布と、その焼成を繰り返すこ
とで容易に薄膜を形成できるとの利点も有する。さら
に、フォトエッチング工程を用いたパターニングも可能
であり、その結果素子化も容易である。ゾルゲル法によ
り製造された圧電体薄膜を用いたインクジェット記録ヘ
ッドも提案されてる(特公平5−504740号公
報)。インクジェット記録ヘッドの圧電素子として用い
る場合、0.5μm〜20μm程度の膜厚が一般に必要
と言われている。また、インクジェット記録ヘッドの圧
電素子としては高い圧電ひずみ定数となり、そのような
高い圧電ひずみ定数を得るために700℃以上の温度で
のアニールにより結晶粒を成長させることが必要である
とされている。Particularly, the sol-gel method is excellent in composition controllability. Further, there is an advantage that a thin film can be easily formed by repeating the application of the sol composition and the firing thereof. Furthermore, patterning using a photo-etching process is possible, and as a result, it can be easily formed into an element. An ink jet recording head using a piezoelectric thin film manufactured by the sol-gel method has also been proposed (Japanese Patent Publication No. 5-504740). When used as a piezoelectric element of an inkjet recording head, it is generally said that a film thickness of about 0.5 μm to 20 μm is required. Further, the piezoelectric element of the ink jet recording head has a high piezoelectric strain constant, and it is said that it is necessary to grow crystal grains by annealing at a temperature of 700 ° C. or higher in order to obtain such a high piezoelectric strain constant. .
【0004】しかしながら、ゾルゲル法によりある程度
の膜厚、例えば1μm以上の膜厚、の圧電体薄膜を製造
しようとする場合、ペロブスカイト構造を得るためのア
ニールの過程で膜内にクラックが発生する場合が観察さ
れた。However, when a piezoelectric thin film having a certain film thickness, for example, a film thickness of 1 μm or more, is to be manufactured by the sol-gel method, cracks may occur in the film during the annealing process for obtaining the perovskite structure. Was observed.
【0005】また、ゾルまたはゲル組成物を塗布するた
めに高温で焼成して結晶化させ、それを繰り返すことで
膜厚を大きくする方法が提案されている(例えば、Ph
i1ips J.Res.47(1993)263−2
85)。しかしながら、本発明者らの知る限りでは、こ
の方法によって得られた圧電体薄膜は層状の積層界面を
有する。このような積層界面は圧電特性には好ましいも
のではなく、また素子化のためのエッチングにおいて良
好なパターニングができない場合があった。In addition, there has been proposed a method for increasing the film thickness by firing at a high temperature to crystallize the composition for applying a sol or gel composition, and repeating this to increase the film thickness (for example, Ph.
i1ips J. Res. 47 (1993) 263-2
85). However, as far as the inventors know, the piezoelectric thin film obtained by this method has a layered laminated interface. Such a laminated interface is not preferable for piezoelectric characteristics, and good patterning may not be possible in etching for device formation.
【0006】よって、良好な特性の圧電体薄膜およびそ
の製造法への希求が存在しているといえる。Therefore, it can be said that there is a need for a piezoelectric thin film having good characteristics and a method for manufacturing the same.
【0007】[0007]
【発明の概要】従って、本発明は、良好な特性、例えば
高い誘電率と高い圧電ひずみ定数、を有する圧電体薄膜
およびその製造法の提供をその目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film having good characteristics, for example, a high dielectric constant and a high piezoelectric strain constant, and a method for producing the same.
【0008】また、本発明は、アニール時にクラックの
発生がなく、また積層界面のない圧電体薄膜およびその
製造法の提供をその目的としている。Another object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film which does not cause cracks during annealing and has no laminated interface, and a method for manufacturing the same.
【0009】本発明者らは、今般、良好な特性の薄膜圧
電体を見出した。さらに、薄膜の形態にある圧電体に極
めて有利な圧電体組成およびその製造に好適な圧電体薄
膜の製造法を見出した。本発明はかかる知見に基づくも
のである。The present inventors have now found a thin film piezoelectric material having good characteristics. Further, they have found a piezoelectric composition extremely advantageous for a piezoelectric in the form of a thin film and a method for manufacturing a piezoelectric thin film suitable for manufacturing the same. The present invention is based on this finding.
【0010】よって、本発明による圧電体薄膜は、厚さ
0.5μm以上20μm以下の圧電体薄膜であって、該
薄膜が平均粒径0.005μm以上0.2μm以下の結
晶粒からなり、かつ薄膜断面に層状の不連続面を有さな
いもの、である。Therefore, the piezoelectric thin film according to the present invention is a piezoelectric thin film having a thickness of 0.5 μm or more and 20 μm or less, and the thin film is composed of crystal grains having an average grain size of 0.005 μm or more and 0.2 μm or less, and It does not have a layered discontinuous surface in the cross section of the thin film.
【0011】本発明によれば特定組成の圧電体薄膜が提
供され、その第一の態様による圧電体薄膜はxPb(M
g1/3 Nb2/3 )O3−yPbZrO3−zPbTiO
3で表される三成分系圧電体からなり、かつ図1に示さ
れるようなその三成分系組成図において、次のA、B、
C、およびDの四点の範囲内にある組成を有する。According to the present invention, there is provided a piezoelectric thin film having a specific composition, wherein the piezoelectric thin film according to the first aspect is xPb (M
g 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO
In the ternary composition diagram as shown in FIG. 1, which is composed of a ternary piezoelectric material represented by 3, the following A, B,
It has a composition within the range of four points of C and D.
【0012】 A(x=0.05,y=0.40,z=0.55) B(x=0.05,y=0.60,z=0.35) C(x=0.25,y=0.30,z=0.45) D(x=0.25,y=0.50,z=0.25) また、本発明によれば別の特定組成の圧電体薄膜が提供
され、その第二の態様による圧電体薄膜はPb(1−
α)Γα[(Mg1/3 Nb2/3 )xZryTiz]O3
(ここで、x,y,zはモル比を表し、x+y+z=1
である)で表され、x,y,zがこの式の三成分系組成
図において、次のA、B、C、およびDの四点の範囲内
にあり、 A(x=0.05,y=0.40,z=0.55)、 B(x=0.05,y=0.60,z=0.35)、 C(x=0.25,y=0.30,z=0.45)、 D(x=0.25,y=0.50,z=0.25)、そ
して前記式中のΓはSr、Ca、Ba、Bi、またはL
aの何れかの元素を表し、かつ前記式中のαは、0<α
≦0.2の関係を満たす任意の数である、ものである。A (x = 0.05, y = 0.40, z = 0.55) B (x = 0.05, y = 0.60, z = 0.35) C (x = 0.25 , Y = 0.30, z = 0.45) D (x = 0.25, y = 0.50, z = 0.25) Further, according to the present invention, a piezoelectric thin film having another specific composition is provided. The piezoelectric thin film according to the second aspect is Pb (1-
α) Γα [(Mg 1/3 Nb 2/3 ) xZryTiz] O 3
(Where x, y, and z are molar ratios, and x + y + z = 1
And x, y, and z are within the following four points A, B, C, and D in the ternary composition diagram of this formula, A (x = 0.05, y = 0.40, z = 0.55), B (x = 0.05, y = 0.60, z = 0.35), C (x = 0.25, y = 0.30, z = 0.45), D (x = 0.25, y = 0.50, z = 0.25), and Γ in the above formula is Sr, Ca, Ba, Bi, or L.
represents any element of a, and α in the above formula is 0 <α
It is an arbitrary number that satisfies the relation of ≦ 0.2.
【0013】また、本発明の第一の態様による前記圧電
体薄膜の製造法は、ゾルゲル法による圧電体薄膜の製造
法であって、 a)圧電体膜を構成する金属成分のゾルと、高分子化合
物とを含んでなるゾル組成物を、基板上に塗布し、乾燥
させて膜を形成する工程と、 b)得られた膜を焼成して、非晶質の金属酸化物を含ん
でなる多孔質ゲル薄膜を形成する仮焼成工程と、 c)得られた多孔質ゲル薄膜をアニールして、該膜を結
晶質の金属酸化物からなる膜とするプレアニール工程
と、 d)上記工程a)、b)、およびc)を少なくとも一回
以上繰り返し、結晶質の金属酸化物の積層膜を形成する
工程と、 e)工程d)で得られた膜をアニールして、該膜中のペ
ロブスカイト型の結晶粒を大きく成長させる工程と を含んでなるもの、である。The method for producing a piezoelectric thin film according to the first aspect of the present invention is a method for producing a piezoelectric thin film by a sol-gel method, which comprises: a) a sol of a metal component constituting the piezoelectric film, and A step of applying a sol composition containing a molecular compound on a substrate and drying it to form a film; and b) baking the obtained film to contain an amorphous metal oxide. A calcination step of forming a porous gel thin film, c) a pre-annealing step of annealing the obtained porous gel thin film to form a film made of a crystalline metal oxide, d) the above step a) , B), and c) are repeated at least once to form a laminated film of crystalline metal oxide, and e) the film obtained in step d) is annealed to obtain a perovskite-type film in the film. And a step of growing large crystal grains of
【0014】また、本発明の第二の態様による前記圧電
体薄膜の製造法は、ゾルゲル法による圧電体薄膜の製造
法であって、 a)圧電体膜を構成する金属成分のゾルと、高分子化合
物とを含んでなるゾル組成物を、基板上に塗布し、乾燥
させて膜を形成する工程と、 b)得られた膜を焼成して、非晶質の金属酸化物を含ん
でなる多孔質ゲル薄膜を形成する仮焼成工程と、 f)上記工程a)およびb)を少なくとも一回以上繰り
返し、非晶質の金属酸化物を含んでなる多孔質薄膜の積
層膜を形成する工程と、 c’)前記積層膜をアニールして、該膜を結晶質の金属
酸化物からなる膜とするプレアニール工程と、 d’)上記工程f)、およびc’)を少なくとも一回以
上繰り返し、結晶質の金属酸化物かなる膜の積層膜を形
成する工程と、 e’)工程d’)で得られた膜をアニールして、該膜中
のペロブスカイト型の結晶粒を大きく成長させる工程と を含んでなるもの、である。The method for producing a piezoelectric thin film according to the second aspect of the present invention is a method for producing a piezoelectric thin film by a sol-gel method, which comprises: a) a sol of a metal component constituting the piezoelectric film, and A step of applying a sol composition containing a molecular compound on a substrate and drying it to form a film; and b) baking the obtained film to contain an amorphous metal oxide. A calcination step of forming a porous gel thin film, and f) a step of repeating the above steps a) and b) at least once to form a laminated film of porous thin films containing an amorphous metal oxide. , C ′) a pre-annealing step of annealing the laminated film to form a film made of a crystalline metal oxide, and d ′) the above steps f) and c ′) are repeated at least one or more times to obtain a crystal. Forming a laminated film of films made of high quality metal oxide, and e ') The step of annealing the film obtained in step d ′) to grow the perovskite type crystal grains in the film to a large extent.
【0015】[0015]
【発明の具体的説明】圧電体薄膜 本発明による圧電体薄膜は、その厚さが0.5μm以上
20μm以下の範囲にある。本発明による圧電体薄膜
は、このような極めて薄い形態にあって好ましい特性を
有する。この好ましい特性を得るためには、この薄膜
は、平均粒径0.005μm以上0.2μm以下の結晶
粒からなり、かつ薄膜断面に層状の不連続面を有さない
ものであるのが好ましい。本発明の好ましい態様によれ
ば、薄膜の厚さは更に好ましくは0.7μm以上10μ
m以下であり、また結晶粒の平均粒径は0.01μm以
上0.1μm以下である。さらに、本発明にあってはペ
ブロスカイト型が主要を占めるものが好ましい。このよ
うな圧電体薄膜は良好な特性を有する。具体的には、比
誘電率が1,000〜3,500程度、より好ましくは
1,200〜2,800程度を示す。さらに、圧電ひず
み定数が70pC/N以上、より好ましくは100pC
/N以上を示す。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Piezoelectric Thin Film The piezoelectric thin film according to the present invention has a thickness in the range of 0.5 μm or more and 20 μm or less. The piezoelectric thin film according to the present invention has preferable characteristics in such an extremely thin form. In order to obtain this preferable characteristic, it is preferable that the thin film is made of crystal grains having an average grain size of 0.005 μm or more and 0.2 μm or less and does not have a layered discontinuous surface in the thin film cross section. According to a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the thin film is more preferably 0.7 μm or more and 10 μm or more.
The average grain size of the crystal grains is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. Further, in the present invention, those in which the perovskite type is the main one are preferable. Such a piezoelectric thin film has good characteristics. Specifically, the relative dielectric constant is about 1,000 to 3,500, more preferably about 1,200 to 2,800. Further, the piezoelectric strain constant is 70 pC / N or more, more preferably 100 pC
/ N or more.
【0016】以上の圧電体薄膜は、以下に説明する本発
明による特定組成と組合されることによって、より好ま
しい特性を有するものとなる。The above-mentioned piezoelectric thin film has more preferable properties when combined with the specific composition according to the present invention described below.
【0017】本発明の好ましい態様によれば、本発明に
よる圧電体薄膜はxPb(Mg1/3Nb2/3 )O3−y
PbZrO3−zPbTiO3で表される三成分系圧電
体からなり、かつ図1に示されるようなその三成分系組
成図において、次のA、B、C、およびDの四点の範囲
内にある組成を有する。According to a preferred embodiment of the present invention, the piezoelectric thin film according to the present invention is xPb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3 -y.
In the ternary composition diagram as shown in FIG. 1, which consists of a ternary piezoelectric material represented by PbZrO 3 -zPbTiO 3 , the following four points A, B, C, and D are within the range: It has a composition.
【0018】 A(x=0.05,y=0.40,z=0.55) B(x=0.05,y=0.60,z=0.35) C(x=0.25,y=0.30,z=0.45) D(x=0.25,y=0.50,z=0.25) 本発明の第一の態様による組成を有する圧電体薄膜は、
前記式で表される三成分系圧電体材料からなり、かつ図
1に示される領域内の組成を有する。A (x = 0.05, y = 0.40, z = 0.55) B (x = 0.05, y = 0.60, z = 0.35) C (x = 0.25 , Y = 0.30, z = 0.45) D (x = 0.25, y = 0.50, z = 0.25) A piezoelectric thin film having a composition according to the first aspect of the present invention is
It is made of a ternary piezoelectric material represented by the above formula and has a composition within the region shown in FIG.
【0019】また、本発明の第二の態様による組成を有
する圧電体薄膜は、前記式においてPbが最大20モル
%程度まで、好ましくは5〜15モル%まで、Sr、C
a、Ba、Bi、およびLaから選択される元素によっ
て置換された組成を有していてもよい。すなわち、Pb
(1−α)Γα[(Mg1/3 Nb2/3 )xZryTi
z]O3(ここで、x,y,zはモル比を表し、x+y
+z=1である)で表され、x,y,zがこの式の三成
分系組成図において、次のA、B、C、およびDの四点
の範囲内にあり、 A(x=0.05,y=0.40,z=0.55)、 B(x=0.05,y=0.60,z=0.35)、 C(x=0.25,y=0.30,z=0.45)、 D(x=0.25,y=0.50,z=0.25)、そ
して前記式中のΓはSr、Ca、Ba、Bi、またはL
aの何れかの元素を表し、かつ前記式中のαは、0<α
≦0.2の関係を満たす任意の数である、で表わされ
る。このような組成によってより改善された特性の圧電
体薄膜を得ることができる。In the piezoelectric thin film having the composition according to the second aspect of the present invention, Pb in the above formula is up to about 20 mol%, preferably 5 to 15 mol%, Sr, C.
It may have a composition substituted by an element selected from a, Ba, Bi, and La. That is, Pb
(1-α) Γα [(Mg 1/3 Nb 2/3 ) xZryTi
z] O 3 (where x, y, and z are molar ratios, and x + y
+ Z = 1), and x, y, and z are within the range of the following four points A, B, C, and D in the ternary composition diagram of this formula, A (x = 0 .05, y = 0.40, z = 0.55), B (x = 0.05, y = 0.60, z = 0.35), C (x = 0.25, y = 0.30) , Z = 0.45), D (x = 0.25, y = 0.50, z = 0.25), and Γ in the above formula is Sr, Ca, Ba, Bi, or L.
represents any element of a, and α in the above formula is 0 <α
It is represented by an arbitrary number satisfying the relation of ≦ 0.2. With such a composition, a piezoelectric thin film having improved characteristics can be obtained.
【0020】また、本発明の別の好ましい態様によれ
ば、前記式において、Mgの一部または全てが、Co、
Zn、Mn、およびNiから選択される元素によって置
換されてなるか、Nbの一部が、TaまたはSbによっ
て置換されてなるか、ZrまたはTiの一部が、Sb、
Fe、Al、およびCrから選択される元素によって置
換されてなるかの一以上の組成の修正が行われてなる圧
電体薄膜が提供される。このような組成の修正によっ
て、圧電ひずみ定数、比誘電率、およびヤング率を容易
に適切な値に制御することが可能となる。特に比誘電率
の制御は、圧電体薄膜の発熱量を制御する観点から好ま
しい。According to another preferred embodiment of the present invention, in the above formula, some or all of Mg is Co,
It is substituted by an element selected from Zn, Mn, and Ni, a part of Nb is replaced by Ta or Sb, or a part of Zr or Ti is Sb,
Provided is a piezoelectric thin film which is substituted with an element selected from Fe, Al, and Cr or is modified in one or more compositions. By modifying the composition as described above, it becomes possible to easily control the piezoelectric strain constant, the relative dielectric constant, and the Young's modulus to appropriate values. Particularly, the control of the relative permittivity is preferable from the viewpoint of controlling the heat generation amount of the piezoelectric thin film.
【0021】本発明の好ましい態様によれば、Pbまた
はPb化合物(例えば、PbO)を、Pb:(Mg+N
b+Zr+Ti)=1〜1.2:1のモル比の範囲で更
に含有してなる組成を有する圧電体薄膜が提供される。
より好ましいモル比は1〜1.15:1である。このよ
うなPb成分が過剰な圧電体薄膜は、大きな圧電ひずみ
定数を有することから好ましい。According to a preferred embodiment of the present invention, Pb or a Pb compound (eg PbO) is added to Pb: (Mg + N
There is provided a piezoelectric thin film having a composition further containing b + Zr + Ti) in a molar ratio range of 1 to 1.2: 1.
A more preferred molar ratio is 1-1.15: 1. Such a piezoelectric thin film having an excessive Pb component is preferable because it has a large piezoelectric strain constant.
【0022】容量Cを有する圧電体薄膜素子、即ちコン
デンサ、に電界が時間に依存する電圧V(V=V
(t):tは時間)を印加すると、圧電体薄膜素子に流
れる電流iはi=C(dV/dt)となる。この時の圧
電体薄膜素子に発生する発熱量Qは、i×iに比例する
ことから、容量Cを下げること、換言すれば圧電体薄膜
の比誘電率を抑制することが重要となる。A voltage V (V = V) whose electric field depends on time is applied to a piezoelectric thin film element having a capacitance C, that is, a capacitor.
When (t): t is time, the current i flowing through the piezoelectric thin film element is i = C (dV / dt). Since the heat generation amount Q generated in the piezoelectric thin film element at this time is proportional to i × i, it is important to reduce the capacitance C, in other words, to suppress the relative dielectric constant of the piezoelectric thin film.
【0023】一方、圧電体薄膜の電圧印加時の歪み量
は、印加電圧に比例する。圧電歪み特性の低下を、印加
電圧の増加で補っても、前記i=C(dV/dt)の関
係から電圧Vの時間勾配を一定にしておけば、発熱の弊
害を小さくできる。On the other hand, the amount of strain applied to the piezoelectric thin film when a voltage is applied is proportional to the applied voltage. Even if the decrease of the piezoelectric strain characteristic is compensated by the increase of the applied voltage, if the time gradient of the voltage V is kept constant from the relation of i = C (dV / dt), the adverse effect of heat generation can be reduced.
【0024】また、ヤング率の制御については、次のよ
うな理由から有利となる。すなわち、インク流路内に発
生する圧力によりインク滴を吐出させるインクジェット
記録ヘッドにおいては、発生圧力の発生部または伝達部
の剛性、換言すれば構成部材の弾性コンプライアンス
(1/Y)、が重要なインク吐出の特性要因となる。構
成部材の弾性コンプライアンスは、吐出されるインク滴
の速さ及び重量、応答周波数を左右する流路内でのイン
ク振動の減衰、隣接するインク流路間での干渉等の要因
となる。Controlling the Young's modulus is advantageous for the following reasons. That is, in the ink jet recording head that ejects ink droplets by the pressure generated in the ink flow path, the rigidity of the generation portion or the transmission portion of the generated pressure, in other words, the elastic compliance (1 / Y) of the constituent members is important. It becomes a characteristic factor of ink ejection. The elastic compliance of the constituent members becomes factors such as the speed and weight of ejected ink droplets, damping of ink vibrations in the flow channels that influence the response frequency, and interference between adjacent ink flow channels.
【0025】本発明による圧電体薄膜素子を用いたイン
クジェット記録ヘッドは、インク流路を形成する振動板
に付帯する圧電体薄膜のヤング率を容易に抑制すること
ができ、インク流路のコンプライアンスを高くし、イン
クの吐出特性、特に隣接するインク流路間での干渉の防
止に有効である。In the ink jet recording head using the piezoelectric thin film element according to the present invention, it is possible to easily suppress the Young's modulus of the piezoelectric thin film attached to the vibrating plate forming the ink flow path, and to make the compliance of the ink flow path. It is effective to increase the ink ejection characteristics, especially to prevent interference between adjacent ink flow paths.
【0026】このような本発明による圧電体薄膜の組成
は、後記する製造法において、用いるゾル組成物中の金
属組成を制御することで制御することができる。The composition of the piezoelectric thin film according to the present invention can be controlled by controlling the metal composition in the sol composition used in the production method described later.
【0027】圧電体薄膜の製造法 スパッタ法 好ましい薄膜作製の手法としてはスパッタリングが挙げ
られる。すなわち、特定成分のPZT焼結体をスパッタ
リングのターゲットとして用い、電極膜上にスパッタリ
ングによりアモルファス状の圧電体膜前駆体膜を形成す
る。 Manufacturing Method of Piezoelectric Thin Film Sputtering Method As a preferable thin film manufacturing method, sputtering can be mentioned. That is, using a PZT sintered body of a specific component as a sputtering target, an amorphous piezoelectric film precursor film is formed on the electrode film by sputtering.
【0028】次のこのアモルファス状の前駆体を加熱し
結晶化し、焼結させる。この加熱は酸素雰囲気中(例え
ば、酸素中、または酸素とアルゴンなどの不活性ガスと
の混合ガス中)において行われるのが好ましい。加熱工
程は酸素雰囲気中で前駆体膜を好ましくは500〜70
0℃の温度で加熱する。加熱によって前駆体膜を結晶化
させ、さらに結晶粒径が0.005μm以上0.2μm
以下の範囲となるよう実施される。The following amorphous precursor is heated to be crystallized and sintered. This heating is preferably performed in an oxygen atmosphere (for example, in oxygen or in a mixed gas of oxygen and an inert gas such as argon). In the heating step, the precursor film is preferably 500 to 70 in an oxygen atmosphere.
Heat at a temperature of 0 ° C. The precursor film is crystallized by heating, and the crystal grain size is 0.005 μm or more and 0.2 μm or more.
It is implemented so that it may become the following ranges.
【0029】本発明による上記圧電体薄膜は次の二つの
修正ゾルゲル法によって好ましく製造することができ
る。The piezoelectric thin film according to the present invention can be preferably manufactured by the following two modified sol-gel methods.
【0030】第一の態様によるゾルゲル法による製造法 工程a) 本発明による圧電体膜の製造法は、ゾルゲル法
を基本とする。すなわち、圧電体膜を形成可能な金属成
分の水酸化物の水和錯体、すなわちゾル、を脱水処理し
てゲルとし、このゲルを加熱焼成して無機酸化物、すな
わち圧電体膜、を調製する方法を基本とする。 Manufacturing method step by sol-gel method according to the first aspect a) The manufacturing method of the piezoelectric film according to the present invention is based on the sol-gel method. That is, a hydrated complex of a metal component hydroxide capable of forming a piezoelectric film, that is, a sol, is dehydrated into a gel, and the gel is heated and baked to prepare an inorganic oxide, that is, a piezoelectric film. Based on method.
【0031】本発明において、圧電体膜を構成する金属
成分のゾルは、圧電体膜を形成可能な金属のアルコキシ
ドまたはアセテートを、例えば酸で加水分解して調製す
ることができる。本発明においては、ゾル中の金属の組
成を制御することで、上記した圧電体薄膜の組成を得る
ことができる。すなわち、チタン、ジルコニウム、鉛、
さらには他の金属成分のそれぞれのアルコキシドまたは
アセテートを出発原料とする。本発明にあっては、最終
的に圧電体薄膜とされるまでに圧電体薄膜を構成する金
属成分の組成がほぼ維持されるとの利点を有する。すな
わち、焼成およびアニール処理中に金属成分、とりわけ
鉛成分、の蒸発などによる変動が極めて少なく、従って
これら出発原料における金属成分の組成は、最終的な圧
電体薄膜中の金属組成と一致することとなる。言い換え
れば、ゾルの組成は、生成しようとする圧電体膜に応じ
て決定される。In the present invention, the sol of the metal component forming the piezoelectric film can be prepared by hydrolyzing a metal alkoxide or acetate capable of forming the piezoelectric film with, for example, an acid. In the present invention, the composition of the piezoelectric thin film described above can be obtained by controlling the composition of the metal in the sol. That is, titanium, zirconium, lead,
Further, each alkoxide or acetate of another metal component is used as a starting material. The present invention has the advantage that the composition of the metal components forming the piezoelectric thin film is substantially maintained until the piezoelectric thin film is finally formed. That is, during the firing and annealing treatment, there is very little variation due to evaporation of metal components, especially lead components, and therefore the composition of the metal components in these starting materials should match the metal composition in the final piezoelectric thin film. Become. In other words, the composition of the sol is determined according to the piezoelectric film to be produced.
【0032】また、本発明の好ましい態様によれば、上
記したPb成分が過剰となる圧電体薄膜を得るためにゾ
ルにおいて、鉛成分を、化学量論から要求される量より
も20モル%まで、好ましくは15モル%まで過剰とす
るのが好ましい。Further, according to a preferred embodiment of the present invention, in order to obtain the above-mentioned piezoelectric thin film in which the Pb component is excessive, the lead component in the sol is up to 20 mol% than the amount required from the stoichiometry. It is preferable that the amount is in excess, preferably up to 15 mol%.
【0033】本発明にあっては、このゾルは有機高分子
化合物と混合された組成物として用いられるのが好まし
い。この有機高分子化合物は、乾燥および焼成時に、薄
膜の残留応力を吸収し、薄膜にクラックが生ずることを
有効に防止する。具体的には、この有機高分子を含むゲ
ルを用いると、後記するゲル化された薄膜において細孔
が生じる。この細孔が、更に後記するプレアニールおよ
びアニール工程において薄膜の残留応力を吸収するもの
と考えられる。ここで、好ましく用いられる有機高分子
化合物としては、ポリ酢酸ビニル、ヒドロキシプロピル
セルロース、ポリエチレングリコール、ポリエチレング
リコールモノメチルエーテル、ポリプロピレングリコー
ル、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアミ
ド、ポリアミック酸、アセチルセルロースおよびその誘
導体、ならびにそれらの共重合体が挙げられる。なお、
本発明の好ましい態様によれば、ポリ酢酸ビニルを添加
することで0.05μm程度の細孔を多数有する多孔質
ゲル薄膜を、ヒドロキシプロピルセルロースを添加する
ことで1μm以下の大きさでかつ広い分布をもった多孔
質ゲル薄膜を形成することができる。In the present invention, this sol is preferably used as a composition mixed with an organic polymer compound. This organic polymer compound absorbs the residual stress of the thin film during drying and firing, and effectively prevents the thin film from cracking. Specifically, when a gel containing this organic polymer is used, pores are generated in the gelled thin film described later. It is considered that these pores absorb the residual stress of the thin film in the pre-annealing and annealing steps which will be described later. Here, as the organic polymer compound preferably used, polyvinyl acetate, hydroxypropyl cellulose, polyethylene glycol, polyethylene glycol monomethyl ether, polypropylene glycol, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyamide, polyamic acid, acetyl cellulose and derivatives thereof, And copolymers thereof. In addition,
According to a preferred embodiment of the present invention, by adding polyvinyl acetate, a porous gel thin film having a large number of pores of about 0.05 μm, and by adding hydroxypropyl cellulose, a size of 1 μm or less and a wide distribution can be obtained. It is possible to form a porous gel thin film having
【0034】本発明の好ましい態様によれば、ポリエチ
レングリコールとしては平均分子量285〜420程度
のものが好ましい。また、ポリプロピレングリコールと
しては平均分子量300〜800程度のものが好まし
い。According to a preferred embodiment of the present invention, polyethylene glycol having an average molecular weight of about 285 to 420 is preferable. Further, polypropylene glycol having an average molecular weight of about 300 to 800 is preferable.
【0035】本発明による製造法にあっては、まず、こ
のゾル組成物を圧電体薄膜を形成しようとする基板に塗
布する。ここで、基板とは、最終的に圧電体薄膜素子を
形成しようとする基板をいう。従って、例えば、後記す
るような本発明による圧電体薄膜を利用してインクジェ
ット記録ヘッドを作成しようとする場合、結晶性珪素基
板上に薄膜電極を設けたものを基板とする。In the manufacturing method according to the present invention, first, this sol composition is applied to the substrate on which the piezoelectric thin film is to be formed. Here, the substrate means a substrate on which the piezoelectric thin film element is to be finally formed. Therefore, for example, when an inkjet recording head is to be manufactured using the piezoelectric thin film according to the present invention as described below, a substrate is one in which a thin film electrode is provided on a crystalline silicon substrate.
【0036】塗布の方法は特に限定されず、慣用されて
いる方法、例えば、スピンコート、ディップコート、ロ
ールコート、バーコートなどによって行われてよい。ま
た、フレキソ印刷、スクリーン印刷、オフセット印刷な
どによって塗布することも可能である。The coating method is not particularly limited, and may be a commonly used method such as spin coating, dip coating, roll coating or bar coating. It is also possible to apply by flexographic printing, screen printing, offset printing or the like.
【0037】本発明の好ましい態様によれば、塗布によ
り形成される膜の厚さは、以下の工程を考慮すると、後
記する工程b)において形成される多孔質ゲル薄膜の厚
さが0.01μm以上となるよう制御されるのが好まし
く、より好ましくは0.1〜1μm程度となるよう制御
される。According to a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the film formed by coating is 0.01 μm when the thickness of the porous gel thin film formed in step b) described below is taken into consideration, considering the following steps. The above control is preferable, and the control is more preferably about 0.1 to 1 μm.
【0038】塗布後、膜は乾燥される。乾燥は自然乾
燥、または200℃以下の温度に加熱することで行われ
てよい。After coating, the film is dried. Drying may be performed by natural drying or by heating to a temperature of 200 ° C. or lower.
【0039】本発明の好ましい態様によれば、乾燥され
た膜上に更に膜を塗布して膜厚を厚くすることができ
る。この態様にあっては、下地となる膜は80℃以上の
温度で乾燥されるのが好ましい。According to a preferred embodiment of the present invention, the film can be thickened by further coating the film on the dried film. In this embodiment, the base film is preferably dried at a temperature of 80 ° C. or higher.
【0040】工程b):この工程では、上記工程a)で
得られたゾル組成物の膜をゲル化する。すなわち、工程
a)で得られた膜を焼成し、残留有機物を実質的に含ま
ない非晶質の金属酸化物からなる多孔質ゲル薄膜とす
る。本工程を本明細書においては仮焼成工程と呼ぶ場合
がある。 Step b) : In this step, the film of the sol composition obtained in the above step a) is gelled. That is, the film obtained in step a) is baked to obtain a porous gel thin film made of an amorphous metal oxide substantially free of residual organic substances. This step may be referred to as a calcination step in this specification.
【0041】焼成は、ゾル組成物の膜をゲル化し、かつ
膜中から有機物を除去するのに十分な温度で、十分な時
間加熱されることよって行われてよい。本発明の好まし
い態様によれば、焼成温度としては300〜450℃の
範囲が好ましく、より好ましくは350〜400℃の範
囲である。焼成時間は温度および使用する炉の形式によ
って変化するが、例えば脱脂炉を用いた場合、10〜1
20分程度が好ましく、より好ましくは15〜60分程
度であり、またホットプレートを用いた場合、1〜60
分程度が好ましく、より好ましくは5〜30分程度であ
る。The calcination may be carried out by heating the sol composition film at a temperature sufficient for gelling and removing organic substances from the film for a sufficient time. According to a preferred embodiment of the present invention, the firing temperature is preferably in the range of 300 to 450 ° C, more preferably 350 to 400 ° C. The firing time varies depending on the temperature and the type of furnace used, but when a degreasing furnace is used, for example, 10 to 1
It is preferably about 20 minutes, more preferably about 15 to 60 minutes, and when using a hot plate, 1 to 60 minutes.
It is preferably about 5 minutes, more preferably about 5 to 30 minutes.
【0042】以上の工程a)およびb)によって、図2
(1)に示されるように、基板11上に設けられた電極
12上に、多孔質ゲル薄膜13が形成される。By the above steps a) and b), FIG.
As shown in (1), the porous gel thin film 13 is formed on the electrode 12 provided on the substrate 11.
【0043】工程c)上記工程b)によって得られた多
孔質ゲル薄膜を加熱焼成して、結晶質の金属酸化物から
なる膜に変換する工程である。本工程を本明細書におい
てはプレアニール工程と呼ぶ場合がある。 Step c) A step of heating and burning the porous gel thin film obtained in the above step b) to convert it into a film made of a crystalline metal oxide. This process may be called a pre-annealing process in this specification.
【0044】焼成は、多孔質ゲル薄膜を、結晶質の金属
酸化物からなる膜に変換するのに必要な温度で加熱され
ることよって行われてよい。但し、この焼成は結晶中に
ペロブスカイト型結晶が大部分を占めるまで行われる必
要はない。ゲル薄膜が均質に結晶化した時点で焼成は終
了されてよい。本発明の好ましい態様によれば、焼成温
度としては400〜800℃の範囲が好ましく、より好
ましくは550〜750℃の範囲である。焼成時間は温
度および使用する炉の形式によって変化するが、例えば
アニール炉を用いた場合、0.1〜5時間程度が好まし
く、より好ましくは0.5〜2時間程度であり、またR
TA(Rapid Thermal Annealin
g)炉を用いた場合、0.1〜10分程度が好ましく、
より好ましくは1〜5分程度である。The calcination may be carried out by heating the porous gel thin film at a temperature necessary for converting it into a film made of a crystalline metal oxide. However, this firing does not have to be performed until the perovskite type crystals occupy most of the crystals. Firing may be terminated when the gel film has crystallized homogeneously. According to a preferred embodiment of the present invention, the firing temperature is preferably 400 to 800 ° C, more preferably 550 to 750 ° C. The firing time varies depending on the temperature and the type of furnace used, but when an annealing furnace is used, for example, it is preferably about 0.1 to 5 hours, more preferably about 0.5 to 2 hours, and R
TA (Rapid Thermal Annealin
g) When using a furnace, it is preferably about 0.1 to 10 minutes,
It is more preferably about 1 to 5 minutes.
【0045】また本発明の好ましい態様によれば、この
プレアニールを二段階に分けて実施するのが好ましい。
具体的には、その第一段階を400℃〜600℃の範囲
の温度で行い、第二段階を600℃〜800℃以下の範
囲の温度で行うことが好ましい。より好ましい態様によ
れば、第一段階を450〜550℃の温度で行い、第二
段階を600〜750℃の温度で行う。Further, according to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the pre-annealing is carried out in two steps.
Specifically, it is preferable to perform the first step at a temperature in the range of 400 ° C to 600 ° C and the second step at a temperature in the range of 600 ° C to 800 ° C or less. According to a more preferred embodiment, the first stage is carried out at a temperature of 450 to 550 ° C and the second stage is carried out at a temperature of 600 to 750 ° C.
【0046】この工程c)によって、図2(2)に示さ
れるように、多孔質ゲル薄膜13が結晶質の金属酸化物
からなる膜14に変換される。By this step c), as shown in FIG. 2B, the porous gel thin film 13 is converted into the film 14 made of crystalline metal oxide.
【0047】工程d)本発明にあっては、上記工程
a)、b)、およびc)を少なくとも一回以上繰り返し
て実施し、結晶質の金属酸化物の膜を積層する。繰り返
される上記工程a)、b)、およびc)における膜厚、
仮焼成温度、プレアニール条件は、基板上に第一回の膜
を形成した場合と同様であってよい。 Step d) In the present invention, the above steps a), b) and c) are repeated at least once to laminate a crystalline metal oxide film. Film thickness in repeated steps a), b), and c),
The calcination temperature and the pre-annealing conditions may be the same as in the case of forming the first film on the substrate.
【0048】この工程の結果得られる積層膜の膜厚は最
終的な圧電体薄膜の膜厚を考慮して適宜決定されてよい
が、次の工程e)においてクラックなどが発生しない膜
厚であることが好ましいことは言うまでもない。The film thickness of the laminated film obtained as a result of this step may be appropriately determined in consideration of the film thickness of the final piezoelectric thin film, but is a film thickness such that cracks and the like do not occur in the next step e). It goes without saying that it is preferable.
【0049】この工程d)を模式的に示せば、まず図2
(3)にあるように、先に形成された膜14上に新たに
多孔質ゲル薄膜13を形成し、その後のプレアニールの
結果、図2(4)に示されるように、新たな多孔質ゲル
薄膜13は先に形成された膜14と実質的に一体化され
た膜とされる。ここで実質的に一体化された膜とは、積
層された層間に不連続層がない場合のみならず、本発明
による最終的な圧電体薄膜の場合と異なり、積層された
層間に不連続層があってもよい。そして、さらに工程
a)、b)、およびc)を繰り返すならば、図2(5)
にあるように、新たな多孔質ゲル薄膜13が形成され、
その後のプレアニールの結果、図2(6)に示されるよ
うにこの膜13は結晶質の積層膜14と実質的に一体化
された膜とされる。The process d) is schematically shown in FIG.
As shown in (3), a new porous gel thin film 13 is formed on the previously formed film 14, and as a result of the subsequent pre-annealing, as shown in FIG. The thin film 13 is a film which is substantially integrated with the previously formed film 14. Here, the substantially integrated film means not only the case where there is no discontinuous layer between the laminated layers but also the discontinuous layer between the laminated layers, unlike the case of the final piezoelectric thin film according to the present invention. There may be. Then, if the steps a), b), and c) are further repeated, as shown in FIG.
, A new porous gel thin film 13 is formed,
As a result of the subsequent pre-annealing, as shown in FIG. 2 (6), this film 13 becomes a film substantially integrated with the crystalline laminated film 14.
【0050】なお、圧電体薄膜素子とするためのパター
ンニングおよび上電極の形成はこの段階の薄膜に対して
行うのが好ましい。The patterning for forming the piezoelectric thin film element and the formation of the upper electrode are preferably performed on the thin film at this stage.
【0051】工程e)本工程は、以上のようにして得ら
れた結晶質の金属酸化物からなる膜の積層膜を更に焼成
してペロブスカイト型結晶を成長させる工程である。本
工程を本明細書においてはアニール工程と呼ぶことがあ
る。 Step e) This step is a step of further firing the laminated film of the film made of the crystalline metal oxide obtained as described above to grow a perovskite type crystal. This step may be referred to as an annealing step in this specification.
【0052】本発明の好ましい態様によれば、焼成温度
としては600〜1200℃の範囲が好ましく、より好
ましくは800〜1000℃の範囲である。焼成時間は
温度および使用する炉の形式によって変化するが、例え
ばアニール炉を用いた場合、0.1〜5時間程度が好ま
しく、より好ましくは0.5〜2時間程度であり、また
RTA炉を用いた場合、0.1〜10分程度が好まし
く、より好ましくは0.5〜3分程度である。According to a preferred embodiment of the present invention, the firing temperature is preferably in the range of 600 to 1200 ° C, more preferably 800 to 1000 ° C. Although the firing time varies depending on the temperature and the type of furnace used, for example, when an annealing furnace is used, it is preferably about 0.1 to 5 hours, more preferably about 0.5 to 2 hours. When used, it is preferably about 0.1 to 10 minutes, more preferably about 0.5 to 3 minutes.
【0053】また本発明の好ましい態様によれば、この
アニールを二段階に分けて実施するのが好ましい。具体
的には、その第一段階を600℃〜800℃の範囲の温
度で行い、第二段階を800℃〜1000℃以下の範囲
の温度で行うことが好ましい。より好ましい態様によれ
ば、第一段階を600〜750℃の温度で行い、第二段
階を800〜950℃の温度で行う。Further, according to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to carry out the annealing in two steps. Specifically, it is preferable that the first step be performed at a temperature in the range of 600 ° C to 800 ° C and the second step be performed at a temperature in the range of 800 ° C to 1000 ° C. According to a more preferred embodiment, the first stage is carried out at a temperature of 600 to 750 ° C and the second stage is carried out at a temperature of 800 to 950 ° C.
【0054】以上の操作によって、薄膜断面に層状の不
連続層を有さない圧電体薄膜を製造することができる。By the above operation, a piezoelectric thin film having no layered discontinuous layer in the thin film cross section can be manufactured.
【0055】本発明の好ましい態様によれば、このアニ
ール工程によって結晶粒が成長し、結晶粒の平均粒径が
0.005μm以上0.2μm以下の範囲にある圧電体
薄膜を得ることができる。According to a preferred embodiment of the present invention, crystal grains are grown by this annealing step, and a piezoelectric thin film having an average grain size of 0.005 μm or more and 0.2 μm or less can be obtained.
【0056】図2(7)に示される圧電体薄膜素子は、
この工程によって得られた不連続層を有さない圧電体薄
膜15の上にさらに電極12を設けた例である。The piezoelectric thin film element shown in FIG. 2 (7) is
This is an example in which the electrode 12 is further provided on the piezoelectric thin film 15 having no discontinuous layer obtained by this step.
【0057】第二の態様によるゾルゲル法による製造法 工程a)およびb) 本発明の第二の態様による圧電膜の製造法における工程
a)およびb)は、本発明の第一の態様による圧電体薄
膜の製造法における工程a)およびb)と同一である。 Manufacturing method steps a) and b) by the sol-gel method according to the second aspect The steps a) and b) in the method for manufacturing a piezoelectric film according to the second aspect of the present invention are the piezoelectric method according to the first aspect of the present invention. This is the same as steps a) and b) in the method for manufacturing a body thin film.
【0058】本工程の結果、図3(1)に示されるよう
な、電極12および多孔質ゲル薄膜13が形成された基
板11が得られる。As a result of this step, a substrate 11 having an electrode 12 and a porous gel thin film 13 as shown in FIG. 3A is obtained.
【0059】工程f)本発明の第二の態様による圧電体
薄膜の製造法においては、工程a)およびb)を少なく
とも一回以上繰り返し、多孔質ゲル薄膜の積層膜を形成
する。繰り返される上記工程a)およびb)における膜
厚、仮焼成温度は、基板上に第一回の膜を形成した場合
と同様であってよい。 Step f) In the method for producing a piezoelectric thin film according to the second aspect of the present invention, steps a) and b) are repeated at least once to form a laminated film of porous gel thin films. The film thickness and the calcination temperature in the above-described steps a) and b) may be the same as in the case where the film is formed the first time on the substrate.
【0060】本発明の好ましい態様によれば、積層膜の
膜厚は1μm以下が好ましく、より好ましくは0.5μ
m以下である。この程度の積層膜の膜厚であると、次の
工程c’)におけるプレアニールを、クラックなどの発
生なしに効率よく実施することができる。According to a preferred embodiment of the present invention, the thickness of the laminated film is preferably 1 μm or less, more preferably 0.5 μm.
m or less. When the film thickness of the laminated film is about this level, the pre-annealing in the next step c ′) can be efficiently performed without the occurrence of cracks or the like.
【0061】この工程の結果、図3(2)に示されるよ
うな、多孔質ゲル薄膜13が複数積層された積層膜が形
成される。As a result of this step, a laminated film in which a plurality of porous gel thin films 13 are laminated as shown in FIG. 3B is formed.
【0062】工程c’)この工程は、前記工程f)によ
って得られた多孔質ゲル薄膜の積層膜を焼成して、結晶
質の金属酸化物からなる膜に変換する工程である。第一
の態様による方法における工程c)類似の工程である。
本明細書においては本工程についてもプレアニール工程
と呼ぶことがある。 Step c ') This step is a step of firing the laminated film of the porous gel thin film obtained in the above step f) to convert it into a film made of a crystalline metal oxide. Similar to step c) in the method according to the first aspect.
In this specification, this step may also be referred to as a pre-annealing step.
【0063】焼成は、多孔質ゲル薄膜の積層膜を、結晶
質の金属酸化物からなる膜に変換するのに必要な温度で
加熱されることよって行われてよい。但し、この焼成は
結晶中にペロブスカイト型結晶が大部分を占めるまで行
われる必要はない。ゲル薄膜が均質に結晶化した時点で
焼成は終了されてよい。焼成の温度および時間について
は、第一の態様による方法における工程c)とほぼ同様
であってよい。また、第一の態様による方法における工
程c)と同様に二段階に分けて実施されてよい。The firing may be carried out by heating the laminated film of porous gel thin films to a temperature necessary for converting it into a film made of a crystalline metal oxide. However, this firing does not have to be performed until the perovskite type crystals occupy most of the crystals. Firing may be terminated when the gel film has crystallized homogeneously. The calcination temperature and time may be similar to step c) in the method according to the first aspect. Also, it may be carried out in two steps, similar to step c) in the method according to the first aspect.
【0064】この工程の結果、図3(3)に示されるよ
うに、多孔質ゲル薄膜13の積層膜が結晶質の薄膜14
に変換される。As a result of this step, as shown in FIG. 3C, the laminated film of the porous gel thin film 13 is a crystalline thin film 14.
Is converted to
【0065】工程d’)本発明の第二の態様による方法
にあっては、上記のf)およびc’)の工程を少なくと
も一回以上繰り返す。すなわち、前記の工程a)および
b)を少なくとも一回以上繰り返し、多孔質ゲル薄膜の
積層膜を形成し、その積層膜を焼成して結晶質の金属酸
化物からなる膜に変換する工程を、更に少なくとも一回
以上繰り返す。そして、結晶質の金属酸化物からなる膜
の積層膜を形成する。 Step d ') In the method according to the second aspect of the present invention, the above steps f) and c') are repeated at least once or more. That is, a step of repeating the above steps a) and b) at least once to form a laminated film of a porous gel thin film, and firing the laminated film to convert it into a film made of a crystalline metal oxide, Repeat at least once more. Then, a laminated film of films made of crystalline metal oxide is formed.
【0066】繰り返される工程a)およびb)ならびに
工程c’)における種々の条件は、上記した条件と同様
であってよい。Various conditions in the repeated steps a) and b) and step c ') may be the same as those described above.
【0067】この工程の結果得られる積層膜の膜厚は最
終的な圧電体薄膜の膜厚を考慮して適宜決定されてよい
が、次の工程e’)においてクラックなどが発生しない
膜厚であることが好ましいことは言うまでもない。The film thickness of the laminated film obtained as a result of this step may be appropriately determined in consideration of the film thickness of the final piezoelectric thin film, but the film thickness is such that cracks and the like do not occur in the next step e '). It goes without saying that it is preferable to have it.
【0068】この工程の結果、図3(4)に示されるよ
うに先に形成された膜14の上に、新たな多孔質ゲル薄
膜13の積層膜が形成され、プレアニール工程によって
図3(5)に示されるように、新たな多孔質ゲル薄膜1
3の積層膜は先に形成された膜14と実質的に一体化さ
れた膜とされる。ここで実質的に一体化された膜とは、
上記したものと同義である。As a result of this step, a new laminated film of the porous gel thin film 13 is formed on the previously formed film 14 as shown in FIG. ), A new porous gel thin film 1
The laminated film of No. 3 is a film substantially integrated with the film 14 formed previously. Here, the substantially integrated film means
It is synonymous with the above.
【0069】なお、圧電体薄膜素子とするためのパター
ンニングおよび上電極の形成はこの段階の薄膜に対して
行うのが好ましい。図3(6)は、所望の形状にパター
ニングされた膜14を表す。The patterning for forming the piezoelectric thin film element and the formation of the upper electrode are preferably performed on the thin film at this stage. FIG. 3 (6) shows the film 14 patterned into a desired shape.
【0070】工程e’)本工程は、以上のようにして得
られた結晶質の金属酸化物からなる膜の積層膜を更に焼
成してペロブスカイト型結晶を成長させる工程である。
第一の態様による方法における工程e)類似の工程であ
る。本明細書においては本工程についてもアニール工程
と呼ぶことがある。 Step e ') This step is a step of further firing the laminated film of the film made of the crystalline metal oxide obtained as described above to grow a perovskite type crystal.
Step e) similar to step e) in the method according to the first aspect. In this specification, this step may also be referred to as an annealing step.
【0071】焼成の温度および時間については、第一の
態様による方法における工程e)とほぼ同様であってよ
い。また、第一の態様による方法における工程e)と同
様に二段階に分けて実施されてよい。The firing temperature and time may be about the same as step e) in the method according to the first aspect. Also, it may be carried out in two steps, similar to step e) in the method according to the first aspect.
【0072】図3(7)に示される圧電体薄膜素子は、
この工程によって得られた不連続層を有さない圧電体薄
膜15の上にさらに電極12を設けた例である。The piezoelectric thin film element shown in FIG. 3 (7) is
This is an example in which the electrode 12 is further provided on the piezoelectric thin film 15 having no discontinuous layer obtained by this step.
【0073】圧電体薄膜の用途/インクジェット記録ヘ
ッド 本発明による圧電体薄膜は、その良好な特性を利用し
て、種々の用途に用いられてよい。 Applications of piezoelectric thin film / Inkjet recording
The piezoelectric thin film according to the present invention may be used for various applications by utilizing its good characteristics.
【0074】例えば、インクジェット記録ヘッドの振動
子として利用することができる。本発明による圧電体薄
膜素子を利用することで、大きな圧力でインクを吐出さ
せることができ、また高い周波数によって駆動が行える
との利点がある。For example, it can be used as a vibrator of an ink jet recording head. By using the piezoelectric thin film element according to the present invention, there are advantages that ink can be ejected with a large pressure and that driving can be performed at a high frequency.
【0075】本発明による圧電体薄膜を利用した記録ヘ
ッドの好ましい具体例は図4に示されるとおりである。
この記録ヘッドは、インクだめ27が設けられた単結晶
Si基板21と、第二基板26とが接合されて構成され
ている。単結晶Si基板21には、振動板22と、下電
極23と、圧電体膜24と、上電極25とが形成されて
なる。A preferred specific example of the recording head using the piezoelectric thin film according to the present invention is as shown in FIG.
This recording head is configured by joining a single crystal Si substrate 21 provided with an ink sump 27 and a second substrate 26. A vibration plate 22, a lower electrode 23, a piezoelectric film 24, and an upper electrode 25 are formed on the single crystal Si substrate 21.
【0076】インクはインク流路(図示せず)を通じて
インクだめ27に供給される。ここで、圧電体膜24に
下電極23と上電極25とを通じて電圧が印加される
と、インクだめ27を変形させ、インクに圧力を加え
る。この圧力によってインクがノズル(図示せず)より
吐出され、インクジェット記録が行える。Ink is supplied to the ink reservoir 27 through an ink flow path (not shown). Here, when a voltage is applied to the piezoelectric film 24 through the lower electrode 23 and the upper electrode 25, the ink reservoir 27 is deformed and pressure is applied to the ink. By this pressure, ink is ejected from a nozzle (not shown), and inkjet recording can be performed.
【0077】このようなインクジェット記録ヘッドは慣
用されている方法に従って製造することができる。Such an ink jet recording head can be manufactured according to a commonly used method.
【0078】[0078]
【実施例】実施例A1 酢酸鉛0.105モルと、ジルコニウムアセチルアセト
ナート0.045モルと、酢酸マグネシウム0.005
モルとを、30mlの酢酸に、100℃に加熱して溶解
させた。室温まで冷却し、チタンテトライソプロポキシ
ド0.040モルと、ペンタエトキシニオブ0.010
モルとをエチルセロソルブ50mlに添加し溶解させ
た。アセチルアセトンを30ml添加して安定化させた
後、ポリエチレングリコール#400(関東化学社製、
平均分子量380〜420)をゾル中の金属酸化物に対
し30重量%の割合で添加し、よく攪拌して均質なゾル
とした。 Example A1 Lead acetate (0.105 mol), zirconium acetylacetonate (0.045 mol), and magnesium acetate (0.005)
Mol and were dissolved in 30 ml of acetic acid by heating to 100 ° C. After cooling to room temperature, 0.040 mol of titanium tetraisopropoxide and 0.010 of pentaethoxyniobium
Mol and were added to and dissolved in 50 ml of ethyl cellosolve. After stabilizing by adding 30 ml of acetylacetone, polyethylene glycol # 400 (manufactured by Kanto Chemical Co.,
The average molecular weight of 380 to 420) was added at a ratio of 30% by weight with respect to the metal oxide in the sol, and well stirred to form a homogeneous sol.
【0079】シリコン基板上に白金電極をスパッタ法で
形成し、その上に前記ゾルをスピンコートで塗布し、4
00℃で仮焼成した。その結果、クラックを生じること
なく、0.3μmの膜厚の非晶質の多孔質ゲル薄膜を形
成できた。更にゾルの塗布と400℃の仮焼成を2度繰
り返し、0.9μmの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成し
た。次にこの薄膜をRTA炉を用いて酸素雰囲気中、5
秒間で650℃に加熱して、1分間保持しプレアニール
を行い、0.6μmの膜厚の緻密な薄膜とした。A platinum electrode was formed on a silicon substrate by sputtering, and the sol was applied thereon by spin coating.
It was calcined at 00 ° C. As a result, an amorphous porous gel thin film having a thickness of 0.3 μm could be formed without cracks. Further, application of sol and calcination at 400 ° C. were repeated twice to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was placed in an oxygen atmosphere using an RTA furnace for 5
It was heated to 650 ° C. for 2 seconds, held for 1 minute, and pre-annealed to form a dense thin film having a thickness of 0.6 μm.
【0080】薄膜をエックス線解析により調べたところ
パイロクロア型結晶ピークが検出された。また、反射型
のFT−IR(フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析)
により調べたところ、3400cm-1付近の水酸基に起
因する吸収は検出されなかった。When the thin film was examined by X-ray analysis, a pyrochlore type crystal peak was detected. In addition, reflective FT-IR (Fourier transform infrared absorption spectrum analysis)
As a result of the examination, the absorption due to the hydroxyl group around 3400 cm -1 was not detected.
【0081】こうして得られた薄膜に、さらに上で調製
したゾルをスピンコートにより塗布し、400℃に仮焼
成する工程を三度繰り返して、0.9μmの膜厚の非晶
質の多孔質ゲル薄膜の積層膜を得た。次にRTA炉を用
いて650℃で1分間保持することによりプレアニール
して、1.2μm厚の結晶質の緻密な薄膜を得た。The process of applying the sol prepared above by spin coating to the thin film thus obtained and pre-baking at 400 ° C. was repeated three times to obtain an amorphous porous gel having a thickness of 0.9 μm. A thin laminated film was obtained. Next, it was pre-annealed by holding it at 650 ° C. for 1 minute using an RTA furnace to obtain a crystalline dense film having a thickness of 1.2 μm.
【0082】得られた基板をフォトレジストを用いてパ
ターニングし、ホウフッ酸でエッチングした。レジスト
を剥離した後、基板をRTA炉を用いて酸素雰囲気中で
900℃において1分間保持してアニールした。1.2
μm厚と厚みが変わらない圧電体薄膜が得られた。この
圧電体薄膜をエックス線解析により調べたところペロブ
スカイト型結晶の鋭く強いピークが検出された。また、
シリコン基板を切断しSEM(走査型電子顕微鏡)で薄
膜断面を観察したところ、微小粒径の結晶が均質かつ緻
密に分布し、積層による層状の不連続面が存在しないこ
とが確認された。また、薄膜の試料を作成しTEM(透
過型電子顕微鏡)により圧電体を観察したところ、平均
粒径0.03μmの結晶粒から薄膜が構成されているこ
とがわかった。The obtained substrate was patterned using a photoresist and etched with borofluoric acid. After removing the resist, the substrate was annealed by holding it at 900 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. 1.2
A piezoelectric thin film having a thickness equal to the μm thickness was obtained. When the piezoelectric thin film was examined by X-ray analysis, a sharp and strong peak of perovskite type crystal was detected. Also,
When the silicon substrate was cut and the cross section of the thin film was observed with a SEM (scanning electron microscope), it was confirmed that crystals having a fine grain size were uniformly and densely distributed, and that a layered discontinuous surface due to stacking did not exist. Further, when a thin film sample was prepared and the piezoelectric body was observed by a TEM (transmission electron microscope), it was found that the thin film was composed of crystal grains having an average grain size of 0.03 μm.
【0083】以上のようにして得られた圧電体薄膜上に
アルミニウム電極を蒸着法で形成し、その後分極して、
圧電体薄膜素子とした。圧電体薄膜素子の物性を測定し
たところ、比誘電率は2000、圧電ひずみ定数は15
0pC/Nと優れた特性を示した。An aluminum electrode is formed on the piezoelectric thin film obtained as described above by a vapor deposition method, and then polarized,
A piezoelectric thin film element was used. When the physical properties of the piezoelectric thin film element were measured, the relative dielectric constant was 2000 and the piezoelectric strain constant was 15
It showed excellent characteristics of 0 pC / N.
【0084】PZT薄膜をフッ酸で溶かしICP(プラ
ズマ発光分析)で定量したところ、組成のモル比はP
b:Mg:Nb:Zr:Ti=1.00:0.05:
0.10:0.45:0.40であり、鉛の減少が若干
みられたものの、他の元素に関しては原料仕込組成と同
一であった。When the PZT thin film was dissolved in hydrofluoric acid and quantified by ICP (plasma emission analysis), the molar ratio of the composition was P.
b: Mg: Nb: Zr: Ti = 1.00: 0.05:
The ratio was 0.10: 0.45: 0.40, and although a slight decrease in lead was observed, other elements were the same as the raw material charging composition.
【0085】以上のようにして得られた圧電体薄膜素子
を用いた、図3に示されるようなインクジェット記録ヘ
ッドを作成した。用いた時の概念を模式的に表す断面図
を示す。シリコンウエハー上に窒化珪素の振動板をスパ
ッタ法により形成し、下電極と圧電体薄膜を形成した。
圧電体薄膜をフォトエッチングにより幅0.2mm、長
さ4mmにパターニングし、シリコンウエハーに異方性
エッチングにより幅0.3mmの溝を形成した。金の上
電極を形成した後、ガラス製の第二基板と接合して、イ
ンク流路27を形成した。基板ごと切断してインクジェ
ット記録ヘッドを組み立てた。このヘッドを用いてイン
クを吐出させたところ、充分な吐出力が得られた。また
インクジェット記録装置に組み込んで印字すると、良好
な印字品質が得られた。An ink jet recording head as shown in FIG. 3 was prepared using the piezoelectric thin film element obtained as described above. The sectional view which represents the concept when used is shown typically. A diaphragm of silicon nitride was formed on a silicon wafer by a sputtering method to form a lower electrode and a piezoelectric thin film.
The piezoelectric thin film was patterned by photoetching to have a width of 0.2 mm and a length of 4 mm, and a groove having a width of 0.3 mm was formed on the silicon wafer by anisotropic etching. After forming the gold upper electrode, it was joined to the second glass substrate to form the ink flow path 27. The substrate was cut to assemble an inkjet recording head. When ink was ejected using this head, sufficient ejection force was obtained. In addition, when printing was carried out by incorporating it in an ink jet recording apparatus, good printing quality was obtained.
【0086】実施例A2〜5 実施例A1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しマ
グネシウムのモル比0.067とニオブのモル比0.1
33を固定し、次の表1に示されるようにジルコニウム
とチタンのモル比を変動させて6種類の塗布液を用意し
た。またポリエチレングリコールとして、ポリエチレン
グリコール#300(関東化学社製、平均分子量285
〜315)を用いた。基板電極上にこのゾルを塗布後、
400℃で仮焼成することで、膜厚0.3μmの非晶質
体多孔質ゲル薄膜を形成した。更にゾルの塗布と400
℃の仮焼成を2度繰り返し、0.9μmの膜厚の多孔質
ゲル薄膜を形成した。次のこの薄膜をRTA炉を用い
て、酸素雰囲気中で、急速に650℃に加熱して1分間
プレアニールした。その結果、0.6μm厚の結晶質の
緻密な薄膜が得られた。以上の操作を10回繰り返した
(すなわち、塗布液の塗布の回数は30回であった)。
RTA炉を用いて、酸素雰囲気中、850℃で1分間保
持してアニールした。その結果、厚さ6μmの圧電体薄
膜が得られた。得られた圧電体薄膜上にアルミニウム電
極を蒸着法で形成し、その後分極して、圧電体薄膜素子
とした。この圧電体薄膜素子の平均結晶粒径および圧電
ひずみ定数は次の表に示される通りであった。全てのサ
ンプルにおいてクラック発生は観察されなかった。また
断面には積層による層状の不連続面は存在しなかった。[0086] Example A2~5 was prepared a coating solution in the same manner as in Example A1, except the molar ratio 0.067 and the molar ratio of niobium magnesium 0.1
33 was fixed, and 6 kinds of coating solutions were prepared by changing the molar ratio of zirconium and titanium as shown in Table 1 below. As polyethylene glycol, polyethylene glycol # 300 (Kanto Chemical Co., Inc., average molecular weight 285
~ 315) was used. After applying this sol on the substrate electrode,
By calcination at 400 ° C., an amorphous porous gel thin film with a thickness of 0.3 μm was formed. Further sol application and 400
Preliminary baking at 0 ° C. was repeated twice to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was rapidly heated to 650 ° C. and pre-annealed for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. As a result, a crystalline dense film having a thickness of 0.6 μm was obtained. The above operation was repeated 10 times (that is, the coating liquid was applied 30 times).
Using an RTA furnace, it was annealed by holding it at 850 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere. As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 6 μm was obtained. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element. The average crystal grain size and piezoelectric strain constant of this piezoelectric thin film element were as shown in the following table. No cracking was observed in any of the samples. In addition, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0087】[0087]
【表1】 [Table 1]
【0088】実施例A6〜9 実施例A1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しマ
グネシウムのモル比0.033とニオブのモル比0.0
67を固定し、次の表2に示すようにジルコニウムとチ
タンのモル比を変動させて6種類の塗布液を用意した。
基板電極上にこのゾルを塗布後、400℃で仮焼成する
工程を3度繰り返すことで、膜厚0.9μmの非晶質体
多孔質ゲル薄膜を形成した。次にこの薄膜を拡散炉を用
いて、酸素雰囲気中、550℃で10分間プレアニール
した。その結果0.6μm厚の結晶質の緻密な薄膜が得
られた。以上の操作を15回繰り返した(すなわち塗布
液の塗布の回数は45回であった)。RTA炉を用い
て、酸素雰囲気中、950℃で1分間保持し、アニール
した。その結果、厚さ9μmの圧電体薄膜が得られた。
得られた圧電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸着法で形
成し、その後分極して、圧電体薄膜素子とした。この圧
電体薄膜素子の平均結晶粒径および圧電ひずみ定数は次
の表に示される通りであった。全てのサンプルにおいて
クラック発生は観察されなかった。また断面には積層に
よる層状の不連続面は存在しなかった。 Examples A6 to 9 A coating solution was prepared in the same manner as in Example A1, except that the molar ratio of magnesium was 0.033 and the molar ratio of niobium was 0.0.
67 was fixed and six types of coating solutions were prepared by varying the molar ratio of zirconium and titanium as shown in Table 2 below.
After coating the sol on the substrate electrode, the step of calcination at 400 ° C. was repeated three times to form an amorphous porous gel thin film with a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was pre-annealed at 550 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere using a diffusion furnace. As a result, a crystalline dense film having a thickness of 0.6 μm was obtained. The above operation was repeated 15 times (that is, the coating liquid was applied 45 times). Using an RTA furnace, it was annealed by holding it at 950 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere. As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 9 μm was obtained.
An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element. The average crystal grain size and piezoelectric strain constant of this piezoelectric thin film element were as shown in the following table. No cracking was observed in any of the samples. In addition, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0089】[0089]
【表2】 [Table 2]
【0090】実施例A10〜14 実施例A1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しジ
ルコニウムとチタンのモル比を1:1に固定し、表3に
示すようにマグネシウムとニオブとの加算モル比を変動
させて7種類の塗布液を用意した。ここでマグネシウム
とニオブのモル比は1:2で固定とした。基板電極上に
このゾルを塗布後、350℃で仮焼成することで、非晶
質の多孔質ゲル薄膜を形成した。次にこの薄膜を550
℃で1時間プレアニールすることにより、結晶質の緻密
な膜が得られた。以上の操作を4回繰り返し、薄膜を得
て、これを拡散炉に酸素を流しながら850℃で20分
間アニールした。その結果、厚さ2μmの圧電体薄膜を
得た。得られた圧電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸着
法で形成し、分極して、圧電体薄膜素子とした。この圧
電体薄膜素子の平均結晶粒径および圧電ひずみ定数は次
の表に示される通りであった。 Examples A10 to 14 A coating solution was prepared in the same manner as in Example A1, except that the molar ratio of zirconium and titanium was fixed at 1: 1 and magnesium and niobium were added as shown in Table 3. Seven types of coating solutions were prepared by changing the molar ratio. Here, the molar ratio of magnesium and niobium was fixed at 1: 2. After coating this sol on the substrate electrode, it was calcined at 350 ° C. to form an amorphous porous gel thin film. This thin film is then 550
Pre-annealing at 1 ° C. for 1 hour provided a crystalline dense film. The above operation was repeated 4 times to obtain a thin film, which was annealed at 850 ° C. for 20 minutes while flowing oxygen in the diffusion furnace. As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 2 μm was obtained. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and polarized to obtain a piezoelectric thin film element. The average crystal grain size and piezoelectric strain constant of this piezoelectric thin film element were as shown in the following table.
【0091】全てのサンプルにおいてクラック発生は観
察されなかった。また断面には積層による層状の不連続
面は存在しなかった。No cracking was observed in any of the samples. In addition, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0092】[0092]
【表3】 [Table 3]
【0093】実施例A15 実施例A1と同様の組成の金属酸化物の非晶質層を、基
板電極上にスパッタ法を用い5μmの膜厚で成膜した。
金属酸化物のスパッタターゲットとして、成膜した薄膜
の金属モル比がPb:Mg:Nb:Zr:Ti=1.0
0:0.05:0.10:0.45:0.40となるよ
うに製造したものを用いた。成膜した基板を、RTA炉
を用いて酸素雰囲気中、900℃で1分間保持し、アニ
ールした。得られた圧電体薄膜上にアルミニウム電極を
蒸着法で形成し、その後分極して圧電体薄膜素子とし
た。得られた圧電体薄膜素子の結晶粒の平均粒径は0.
05μmであった。また、その比誘電率は1800、圧
電ひずみ定数は140pC/Nと優れた圧電体薄膜素子
特性を示した。 Example A15 An amorphous layer of metal oxide having the same composition as that of Example A1 was formed on the substrate electrode by sputtering to have a film thickness of 5 μm.
As a metal oxide sputter target, the metal molar ratio of the formed thin film was Pb: Mg: Nb: Zr: Ti = 1.0.
What was manufactured so that it might become 0: 0.05: 0.10: 0.45: 0.40 was used. The formed substrate was annealed by holding it at 900 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element. The average grain size of the crystal grains of the obtained piezoelectric thin film element is 0.
It was 05 μm. The dielectric constant was 1800, and the piezoelectric strain constant was 140 pC / N, showing excellent piezoelectric thin film element characteristics.
【0094】実施例A1と同様な方法で、この圧電体薄
膜素子を用いたインクジェットヘッドを組み立て、イン
クを吐出させたところ、充分な吐出力が得られた。イン
クジェット記録装置に組み込んで印字すると、良好な印
字品質が得られた。When an ink jet head using this piezoelectric thin film element was assembled and ink was ejected in the same manner as in Example A1, sufficient ejection force was obtained. When printing was performed by incorporating the ink jet recording apparatus in an ink jet recording apparatus, good printing quality was obtained.
【0095】比較例A7 RTA炉を用いたアニールを750℃で行った以外は実
施例A1と同様にして圧電体薄膜素子を得た。この圧電
体薄膜素子の結晶粒の平均粒径は0.005μm未満で
定量できなかった。また、比誘電率は800にとどま
り、圧電ひずみ定数も40pC/Nであった。 Comparative Example A7 A piezoelectric thin film element was obtained in the same manner as in Example A1 except that annealing was performed at 750 ° C. in an RTA furnace. The average grain size of the crystal grains of this piezoelectric thin film element was less than 0.005 μm and could not be quantified. Further, the relative permittivity remained at 800 and the piezoelectric strain constant was 40 pC / N.
【0096】比較例A8 RTA炉を用いたアニールを1100℃で行った以外は
実施例A1と同様にして圧電体薄膜素子を得た。この圧
電体薄膜素子の鉛成分は実施例A1と比較して20%程
度不足していた。また、結晶粒の平均粒径は0.5μm
と大きく、比誘電率は800、圧電ひずみ定数は20p
C/Nであった。 Comparative Example A8 A piezoelectric thin film element was obtained in the same manner as in Example A1 except that annealing was carried out at 1100 ° C. in an RTA furnace. The lead component of this piezoelectric thin film element was insufficient by about 20% as compared with Example A1. The average grain size of the crystal grains is 0.5 μm.
The relative dielectric constant is 800, and the piezoelectric strain constant is 20 p.
It was C / N.
【0097】比較例A9 実施例A1と同様の塗布液を実施例A1と同様の基板上
に塗布した。この基板を400℃で仮焼成することで、
非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成した。次に、RTA炉を
用いて酸素雰囲気中900℃で1分間保持することでア
ニールし、0.2μm厚の圧電体薄膜を得た。以上のア
ニール工程を6度繰り返し1.2μm厚の圧電体薄膜を
得た。薄膜にクラックは発生しなかった。実施例A1と
同様にして圧電体薄膜素子とした。この圧電体薄膜は平
均粒径0.05μmの結晶粒から薄膜が構成されていた
が、比誘電率は1200、圧電ひずみ定数は60pC/
Nであった。また、断面をSEMで観察すると、0.2
μm間隔の層状の不連続面が存在していた。この状態の
薄膜にフォトエッチングを行うことは困難であった。 Comparative Example A9 The same coating solution as in Example A1 was applied onto the same substrate as in Example A1. By calcining this substrate at 400 ° C,
An amorphous porous gel thin film was formed. Next, an RTA furnace was used for annealing at 900 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere to obtain a piezoelectric thin film having a thickness of 0.2 μm. The above annealing process was repeated 6 times to obtain a piezoelectric thin film having a thickness of 1.2 μm. No cracks occurred in the thin film. A piezoelectric thin film element was prepared in the same manner as in Example A1. This piezoelectric thin film was composed of crystal grains with an average grain size of 0.05 μm, but the relative dielectric constant was 1200 and the piezoelectric strain constant was 60 pC /
It was N. When the cross section is observed by SEM, it is 0.2
There were layered discontinuities at μm intervals. It was difficult to perform photoetching on the thin film in this state.
【0098】また薄膜中の鉛濃度は実施例A1の場合よ
りも減少しており、また膜の厚み方向で鉛の濃度分布が
生じ、ゾルの組成と異なった薄膜であった。The lead concentration in the thin film was lower than that in Example A1, and the lead concentration distribution was generated in the thickness direction of the film, and the thin film had a different sol composition.
【0099】実施例B1 酢酸鉛0.105モルと、ジルコニウムアセチルアセト
ナート0.045モルと、酢酸マグネシウム0.005
モルとを、30mlの酢酸に、100℃に加熱して溶解
させた。室温まで冷却し、チタンテトライソプロポキシ
ド0.040モルと、ペンタエトキシニオブ0.010
モルとをエチルセロソルブ50mlに添加し溶解させ
た。アセチルアセトンを30ml添加して安定化させた
後、ポリプロピレングリコール(平均分子量400)を
ゾル中の金属酸化物に対し30重量%の割合で添加し、
よく攪拌して均質なゾルとした。 Example B1 0.105 mol of lead acetate, 0.045 mol of zirconium acetylacetonate and 0.005 of magnesium acetate
Mol and were dissolved in 30 ml of acetic acid by heating to 100 ° C. After cooling to room temperature, 0.040 mol of titanium tetraisopropoxide and 0.010 of pentaethoxyniobium
Mol and were added to and dissolved in 50 ml of ethyl cellosolve. After stabilizing by adding 30 ml of acetylacetone, polypropylene glycol (average molecular weight 400) was added at a ratio of 30% by weight to the metal oxide in the sol,
Stir well to form a homogeneous sol.
【0100】シリコン基板上に白金電極をスパッタ法で
形成し、その上に前記ゾルをスピンコートで塗布し、4
00℃で仮焼成した。その結果、クラックを生じること
なく、0.3μmの膜厚の非晶質の多孔質ゲル薄膜を形
成できた。更にゾルの塗布と400℃の仮焼成を2度繰
り返し、0.9μmの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成し
た。次にこの基板をRTA炉を用いて酸素雰囲気中、5
秒間で650℃に加熱して、1分間保持しプレアニール
を行った。その結果、0.6μmの膜厚の緻密な薄膜が
得られた。薄膜をエックス線解析により調べたところパ
イロクロア型結晶ピークが検出された。また、反射型の
FT−IR(フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析)に
より調べたところ、2900cm-1付近のメチレン基に
起因する吸収は検出されなかった。A platinum electrode was formed on a silicon substrate by sputtering, and the sol was applied thereon by spin coating.
It was calcined at 00 ° C. As a result, an amorphous porous gel thin film having a thickness of 0.3 μm could be formed without cracks. Further, application of sol and calcination at 400 ° C. were repeated twice to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm. Next, this substrate was subjected to an RTA furnace in an oxygen atmosphere for 5
Pre-annealing was performed by heating to 650 ° C. for 2 seconds and holding for 1 minute. As a result, a dense thin film having a thickness of 0.6 μm was obtained. When the thin film was examined by X-ray analysis, a pyrochlore type crystal peak was detected. Further, when examined by reflection type FT-IR (Fourier transform infrared absorption spectrum analysis), no absorption due to a methylene group near 2900 cm -1 was detected.
【0101】こうして得られた薄膜に、さらに上で調製
したゾルをスピンコートにより塗布し、400℃に仮焼
成する工程を三度繰り返して、0.9μmの膜厚の非晶
質の多孔質ゲル薄膜の積層膜を得た。次にRTA炉を用
いて650℃で1分間保持することによりプレアニール
して、1.2μm厚の結晶質の緻密な薄膜を得た。The step of applying the above-prepared sol to the thin film thus obtained by spin coating and pre-baking at 400 ° C. was repeated three times to obtain an amorphous porous gel having a thickness of 0.9 μm. A thin laminated film was obtained. Next, it was pre-annealed by holding it at 650 ° C. for 1 minute using an RTA furnace to obtain a crystalline dense film having a thickness of 1.2 μm.
【0102】得られた基板をフォトレジストを用いてパ
ターニングし、ホウフッ酸でエッチングした。レジスト
を剥離した後、基板をRTA炉を用いて酸素雰囲気中で
900℃において1分間保持してアニールした。1.2
μm厚と厚みが変わらない圧電体薄膜が得られた。この
圧電体薄膜をエックス線解析により調べたところペロブ
スカイト型結晶の鋭く強いピークが検出された。またシ
リコン基板を切断しSEM(走査型電子顕微鏡)で薄膜
断面を観察したところ、微小粒径の結晶が均質かつ緻密
に分布し、積層による層状の不連続面が存在しないこと
が確認された。また、薄膜の試料を作成しTEM(透過
型電子顕微鏡)により圧電体を観察したところ、平均粒
径0.03μmの結晶粒から薄膜が構成されていること
がわかった。さらにクラックの発生も全くなかった。The obtained substrate was patterned using a photoresist and etched with borofluoric acid. After removing the resist, the substrate was annealed by holding it at 900 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. 1.2
A piezoelectric thin film having a thickness equal to the μm thickness was obtained. When the piezoelectric thin film was examined by X-ray analysis, a sharp and strong peak of perovskite type crystal was detected. When the silicon substrate was cut and the cross section of the thin film was observed with a SEM (scanning electron microscope), it was confirmed that crystals having a fine grain size were uniformly and densely distributed, and that a layered discontinuous surface due to stacking did not exist. Further, when a thin film sample was prepared and the piezoelectric body was observed by a TEM (transmission electron microscope), it was found that the thin film was composed of crystal grains having an average grain size of 0.03 μm. Furthermore, no cracks were generated at all.
【0103】以上のようにして得られた圧電体薄膜上に
アルミニウム電極を蒸着法で形成し、その後分極して圧
電体薄膜素子とした。この素子の物性を測定したところ
比誘電率は2000、圧電ひずみ定数は150pC/N
と優れた特性を示した。An aluminum electrode was formed on the piezoelectric thin film obtained as described above by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element. When the physical properties of this element were measured, the relative dielectric constant was 2000 and the piezoelectric strain constant was 150 pC / N.
And showed excellent characteristics.
【0104】PZT薄膜をフッ酸で溶かしICP(プラ
ズマ発光分析)で定量したところ、組成のモル比はP
b:Mg:Nb:Zr:Ti=1.00:0.05:
0.10:0.45:0.40であり、鉛の減少が若干
みられたものの、他の元素に関しては原料仕込組成と同
一であった。When the PZT thin film was dissolved in hydrofluoric acid and quantified by ICP (plasma emission analysis), the molar ratio of the composition was P.
b: Mg: Nb: Zr: Ti = 1.00: 0.05:
The ratio was 0.10: 0.45: 0.40, and although a slight decrease in lead was observed, other elements were the same as the raw material charging composition.
【0105】以上のようにして得られた圧電体薄膜素子
を用いたインクジェット記録ヘッドを実施例A1と同様
の方法により作成した。An ink jet recording head using the piezoelectric thin film element thus obtained was prepared by the same method as in Example A1.
【0106】このインクジェット記録ヘッドによりイン
クを吐出させたところ、充分な吐出力が得られた。ま
た、インクジェット記録装置に組み込んで印字すると、
良好な印字品質が得られた。When ink was ejected from this ink jet recording head, a sufficient ejection force was obtained. Also, when incorporated into an inkjet recording device and printed,
Good print quality was obtained.
【0107】実施例B2 実施例B1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しマ
グネシウムのモル比0.067とニオブのモル比0.1
33、ジルコニウムのモル比0.45、チタンのモル比
を0.35として、さらにポリプロピレングリコール
(平均分子量750)をゾル中の金属酸化物に対して3
0重量%添加した。基板電極上にこのゾルを塗布後、4
00℃で仮焼成することで、膜厚0.3μmの非晶質体
多孔質ゲル薄膜を形成した。更にゾルの塗布と400℃
の仮焼成を2度繰り返し、0.9μmの膜厚の多孔質ゲ
ル薄膜を形成した。次のこの薄膜をRTA炉を用いて酸
素雰囲気中で、急速に650℃に加熱して1分間プレア
ニールした。その結果、0.6μm厚の結晶質の緻密な
薄膜が得られた。以上の操作を10回繰り返した(すな
わち、塗布の回数は30回であった)。RTA炉を用い
て酸素雰囲気中、850℃で1分間保持してアニールし
た。その結果、厚さ6μmの圧電体薄膜が得られた。得
られた圧電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸着法で形成
し、その後分極して、圧電体薄膜素子とした。 Example B2 A coating solution was prepared in the same manner as in Example B1, except that the molar ratio of magnesium was 0.067 and the molar ratio of niobium was 0.1.
33, the molar ratio of zirconium was 0.45, and the molar ratio of titanium was 0.35, and polypropylene glycol (average molecular weight 750) was added to the metal oxide in the sol at 3
0% by weight was added. After applying this sol to the substrate electrode, 4
By calcination at 00 ° C., an amorphous porous gel thin film with a thickness of 0.3 μm was formed. Further sol coating and 400 ℃
The pre-baking was repeated twice to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was rapidly heated to 650 ° C. in an oxygen atmosphere using an RTA furnace and pre-annealed for 1 minute. As a result, a crystalline dense film having a thickness of 0.6 μm was obtained. The above operation was repeated 10 times (that is, the number of times of application was 30 times). It was annealed by holding it at 850 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 6 μm was obtained. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element.
【0108】この圧電体薄膜の平均結晶粒径は0.03
μmであり、またこの素子の圧電ひずみ定数は150p
C/Nであった。またクラックの発生は観察されなかっ
た。さらにその断面には積層による層状の不連続面は存
在しなかった。The average crystal grain size of this piezoelectric thin film is 0.03.
μm, and the piezoelectric strain constant of this element is 150 p
It was C / N. In addition, no crack was observed. Furthermore, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0109】実施例B3 実施例B1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しマ
グネシウムのモル比0.033、ニオブのモル比0.0
67、ジルコニウムのモル比0.5、チタンのモル比を
0.4として、さらにポリプロピレングリコール(平均
分子量400)をゾル中の金属酸化物に対して20重量
%を添加した。基板電極上にこのゾルを塗布後、400
℃で仮焼成する工程を三度繰り返すことで、膜厚0.9
μmの非晶質体多孔質ゲル薄膜を形成した。次に、この
薄膜を拡散炉を用いて酸素雰囲気中、550℃で10分
間プレアニールすることにより、0.6μm厚の結晶質
の緻密な薄膜を得た。以上の操作を15回繰り返した
(すなわち、塗布の回数は45回であった)。RTA炉
を用いて酸素雰囲気中、950℃で1分間保持してアニ
ールした。その結果、厚さ12μmの圧電体薄膜を得
た。得られた圧電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸着法
で形成し、その後分極して、圧電体薄膜素子とした。 Example B3 A coating solution was prepared in the same manner as in Example B1, except that the molar ratio of magnesium was 0.033 and the molar ratio of niobium was 0.0.
67, the molar ratio of zirconium was 0.5, the molar ratio of titanium was 0.4, and polypropylene glycol (average molecular weight 400) was added in an amount of 20% by weight based on the metal oxide in the sol. After applying this sol on the substrate electrode, 400
The film thickness is 0.9 by repeating the process of calcination at 3 ℃.
A μm amorphous porous gel thin film was formed. Next, this thin film was pre-annealed at 550 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere using a diffusion furnace to obtain a crystalline dense film having a thickness of 0.6 μm. The above operation was repeated 15 times (that is, the number of times of application was 45 times). It was annealed by holding it at 950 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 12 μm was obtained. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element.
【0110】この圧電体薄膜の平均結晶粒径は0.08
μmであり、またこの素子の圧電ひずみ定数は170p
C/Nであった。また、クラックの発生は観察されなか
った。さらにその断面には積層による層状の不連続面は
存在しなかった。The average crystal grain size of this piezoelectric thin film is 0.08.
μm, and the piezoelectric strain constant of this element is 170 p
It was C / N. In addition, no crack was observed. Furthermore, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0111】実施例B4 実施例B1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しマ
グネシウムのモル比0.04、ニオブのモル比0.0
8、ジルコニウムのモル比0.22、チタンのモル比を
0.22として、さらにポリプロピレングリコール(平
均分子量400)をゾル中の金属酸化物に対して40重
量%を添加した。基板電極上にこのゾルを塗布後、35
0℃で仮焼成することで、非晶質の多孔質ゲル薄膜を形
成した。次に、この薄膜を550℃で1時間プレアニー
ルすることにより、結晶質の緻密な膜を得た。更に以上
の操作を40回繰り返した。得られた基板を拡散炉に酸
素を流しながら850℃で20分間アニールした。その
結果、厚さ20μm圧電体薄膜が得られた。得られた圧
電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸着法で形成した後分
極して、圧電体薄膜素子とした。 Example B4 A coating solution was prepared in the same manner as in Example B1, except that the molar ratio of magnesium was 0.04 and the molar ratio of niobium was 0.0.
8. The molar ratio of zirconium was 0.22, the molar ratio of titanium was 0.22, and 40% by weight of polypropylene glycol (average molecular weight 400) was added to the metal oxide in the sol. After applying this sol on the substrate electrode,
By calcination at 0 ° C., an amorphous porous gel thin film was formed. Next, this thin film was pre-annealed at 550 ° C. for 1 hour to obtain a crystalline dense film. The above operation was repeated 40 times. The obtained substrate was annealed at 850 ° C. for 20 minutes while flowing oxygen into the diffusion furnace. As a result, a 20 μm-thick piezoelectric thin film was obtained. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by vapor deposition and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element.
【0112】この圧電体薄膜の平均結晶粒径は0.03
μmであり、またこの素子の圧電ひずみ定数は120p
C/Nであった。また、クラックの発生は観察されなか
った。さらにその断面には積層による層状の不連続面は
存在しなかった。The average crystal grain size of this piezoelectric thin film is 0.03.
μm, and the piezoelectric strain constant of this element is 120 p
It was C / N. In addition, no crack was observed. Furthermore, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0113】実施例C1 酢酸鉛0.105モルと、ジルコニウムアセチルアセト
ナート0.045モルと、酢酸マグネシウム0.005
モルとを、30mlの酢酸に、100℃に加熱して溶解
させた。室温まで冷却し、チタンテトライソプロポキシ
ド0.040モルと、ペンタエトキシニオブ0.010
モルとをエチルセロソルブ50mlに添加し溶解させ
た。アセチルアセトンを30ml添加して安定化させた
後、ポリエチレングリコール#400(関東化学社製試
薬 平均分子量380〜420)をゾル中の金属酸化物
に対し30重量%添加し、よく攪拌して均質なゾルとし
た。 Example C1 Lead acetate (0.105 mol), zirconium acetylacetonate (0.045 mol), and magnesium acetate (0.005)
Mol and were dissolved in 30 ml of acetic acid by heating to 100 ° C. After cooling to room temperature, 0.040 mol of titanium tetraisopropoxide and 0.010 of pentaethoxyniobium
Mol and were added to and dissolved in 50 ml of ethyl cellosolve. After 30 ml of acetylacetone was added for stabilization, 30% by weight of polyethylene glycol # 400 (Kanto Chemical Co., Inc. reagent average molecular weight 380-420) was added to the metal oxide in the sol, and the mixture was stirred well to obtain a homogeneous sol. And
【0114】シリコン基板上に白金電極をスパッタ法で
形成し、その上に前記ゾルをスピンコートで塗布し、4
00℃で仮焼成した。その結果クラックを生じることな
く、0.3μmの膜厚の非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成
できた。更にゾルの塗布と400℃の仮焼成を2度繰り
返し、0.9μmの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成した。
次にこの薄膜をRTA炉を用いて酸素雰囲気中、5秒間
で500℃に加熱して5分間保持し、さらに700℃に
加熱して1分間保持してプレアニールを行った。その結
果、0.6μmの膜厚の緻密な薄膜を得た。薄膜をエッ
クス線解析により調べたところパイロクロア型結晶ピー
クが検出された。また、反射型のFT−IR(フーリエ
変換赤外吸収スペクトル分析)により調べたところ、2
900cm-1付近のメチレン基に起因する吸収は検出さ
れなかった。A platinum electrode was formed on a silicon substrate by a sputtering method, and the sol was applied thereon by spin coating.
It was calcined at 00 ° C. As a result, an amorphous porous gel thin film having a thickness of 0.3 μm could be formed without cracks. Further, application of sol and calcination at 400 ° C. were repeated twice to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm.
Next, this thin film was heated to 500 ° C. for 5 seconds and held for 5 minutes in an oxygen atmosphere using an RTA furnace, and further heated to 700 ° C. and held for 1 minute to perform pre-annealing. As a result, a dense thin film having a film thickness of 0.6 μm was obtained. When the thin film was examined by X-ray analysis, a pyrochlore type crystal peak was detected. Moreover, when it was examined by a reflection type FT-IR (Fourier transform infrared absorption spectrum analysis), 2
No absorption due to the methylene group near 900 cm -1 was detected.
【0115】こうして得られた薄膜に、さらに上で調製
したゾルをスピンコートにより塗布し、400℃に仮焼
成する工程を三度繰り返して、0.9μmの膜厚の非晶
質の多孔質ゲル薄膜の積層膜を得た。次にRTA炉を用
いて500℃で5分間、さらに700℃で1分間保持し
てプレアニールを行った。その結果、1.2μm厚の結
晶質の緻密な薄膜を得た。得られた基板をフォトレジス
トを用いてパターニングし、ホウフッ酸でエッチングし
た。レジストを剥離した後、基板をRTA炉を用いて酸
素雰囲気中、600℃で5分間、さらに900℃で1分
間保持してアニールを行った。その結果、1.2μm厚
と厚みが変わらない圧電体薄膜が得られた。薄膜をエッ
クス線解析により調べたところペロブスカイト型結晶の
鋭く強いピークが検出された。基板を切断し、SEM
(走査型電子顕微鏡)により薄膜断面を観察したとこ
ろ、微小粒径の結晶が均質かつ緻密に分布し、かつ積層
による層状の不連続面が存在しないことを確認した。ま
た、薄膜をTEM(透過型電子顕微鏡)により観察した
ところ、薄膜は平均粒径0.03μmの結晶粒から薄膜
が構成されていることがわかった。さらに、クラックの
発生も全く観察されなかった。The step of applying the sol prepared above by spin coating to the thin film thus obtained and pre-baking at 400 ° C. was repeated three times to obtain an amorphous porous gel having a thickness of 0.9 μm. A thin laminated film was obtained. Next, using an RTA furnace, pre-annealing was performed by holding at 500 ° C. for 5 minutes and further at 700 ° C. for 1 minute. As a result, a dense crystalline thin film having a thickness of 1.2 μm was obtained. The obtained substrate was patterned using a photoresist and etched with borofluoric acid. After removing the resist, the substrate was annealed by using an RTA furnace in an oxygen atmosphere at 600 ° C. for 5 minutes and further at 900 ° C. for 1 minute. As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 1.2 μm and a uniform thickness was obtained. When the thin film was examined by X-ray analysis, a sharp and strong peak of perovskite type crystal was detected. Cut the substrate, SEM
The cross section of the thin film was observed with a (scanning electron microscope), and it was confirmed that the crystals having a fine grain size were homogeneously and densely distributed, and that there was no layered discontinuous surface due to lamination. Further, when the thin film was observed with a TEM (transmission electron microscope), it was found that the thin film was composed of crystal grains having an average grain size of 0.03 μm. Furthermore, no cracks were observed at all.
【0116】以上のようにして得られた圧電体薄膜上に
アルミニウム電極を蒸着法で形成し、その後分極して圧
電体薄膜素子とした。圧電体薄膜素子の物性を測定した
ところ、比誘電率は2000、圧電ひずみ定数は160
pC/Nと優れた特性を示した。An aluminum electrode was formed on the piezoelectric thin film obtained as described above by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element. When the physical properties of the piezoelectric thin film element were measured, the relative dielectric constant was 2000 and the piezoelectric strain constant was 160.
It showed excellent characteristics with pC / N.
【0117】PZT薄膜をフッ酸で溶かしICP(プラ
ズマ発光分析)で定量したところ、組成のモル比はP
b:Mg:Nb:Zr:Ti=1.00:0.05:
0.10:0.45:0.40であり、鉛の減少が若干
みられたものの、他の元素に関しては原料仕込組成と同
一であった。When the PZT thin film was dissolved in hydrofluoric acid and quantified by ICP (plasma emission spectrometry), the molar ratio of the composition was P.
b: Mg: Nb: Zr: Ti = 1.00: 0.05:
The ratio was 0.10: 0.45: 0.40, and although a slight decrease in lead was observed, other elements were the same as the raw material charging composition.
【0118】以上のようにして得られた圧電体薄膜素子
を用いたインクジェット記録ヘッドを実施例A1と同様
の方法により作成した。このインクジェット記録ヘッド
によりインクを吐出させたところ、充分な吐出力が得ら
れた。また、インクジェット記録装置に組み込んで印字
すると、良好な印字品質が得られた。An ink jet recording head using the piezoelectric thin film element thus obtained was prepared by the same method as in Example A1. When ink was ejected from this inkjet recording head, sufficient ejection force was obtained. In addition, when incorporated into an inkjet recording device and printed, good printing quality was obtained.
【0119】実施例C2 実施例C1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しマ
グネシウムのモル比0.067とニオブのモル比0.1
33、ジルコニウムのモル比0.45、チタンのモル比
を0.35として、さらにポリエチレングリコール#3
00(関東化学社製試薬 平均分子量285〜315)
をゾル中の金属酸化物に対して30重量%の割合で添加
した。基板電極上にこのゾルを塗布後、400℃で仮焼
成することで、膜厚0.3μmの非晶質体多孔質ゲル薄
膜を形成した。更にゾルの塗布と400℃の仮焼成を2
度繰り返し、0.9μmの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成
した。次にこの薄膜をRTA炉を用いて酸素雰囲気中
で、急速に600℃に加熱して5分間保持し、さらに7
25℃に加熱して1分間保持してプレアニールを行っ
た。その結果、0.6μm厚の結晶質の緻密な薄膜が得
られた。以上の操作を10回繰り返した(すなわち塗布
の回数は30回であった)。RTA炉を用いて酸素雰囲
気中、650℃で5分間、さらに900℃で1分間保持
してアニールを行った。その結果、厚さ6μmの圧電体
薄膜が得られた。得られた圧電体薄膜上にアルミニウム
電極を蒸着法で形成し、その後分極して、圧電体薄膜素
子とした。 Example C2 A coating solution was prepared in the same manner as in Example C1, except that the molar ratio of magnesium was 0.067 and the molar ratio of niobium was 0.1.
33, the molar ratio of zirconium was 0.45, and the molar ratio of titanium was 0.35.
00 (Kanto Chemical Co., Inc. reagent average molecular weight 285 to 315)
Was added at a ratio of 30% by weight with respect to the metal oxide in the sol. After coating this sol on the substrate electrode, it was calcined at 400 ° C. to form an amorphous porous gel thin film with a thickness of 0.3 μm. In addition, apply sol and calcination at 400 ℃ 2
Repeated times to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was rapidly heated to 600 ° C. in an oxygen atmosphere using an RTA furnace and held for 5 minutes.
Pre-annealing was performed by heating to 25 ° C. and holding for 1 minute. As a result, a crystalline dense film having a thickness of 0.6 μm was obtained. The above operation was repeated 10 times (that is, the number of times of coating was 30 times). Annealing was performed by using an RTA furnace in an oxygen atmosphere at 650 ° C. for 5 minutes and then at 900 ° C. for 1 minute. As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 6 μm was obtained. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element.
【0120】この圧電体薄膜の平均結晶粒径は0.03
μmであり、またこの素子の圧電ひずみ定数は165p
C/Nであった。またクラックの発生は観察されなかっ
た。さらにその断面には積層による層状の不連続面は存
在しなかった。The average crystal grain size of this piezoelectric thin film is 0.03.
μm, and the piezoelectric strain constant of this element is 165 p
It was C / N. In addition, no crack was observed. Furthermore, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0121】実施例C3 実施例C1と同様の方法で塗布液を調製したが、但しマ
グネシウムのモル比0.033、ニオブのモル比0.0
67、ジルコニウムのモル比0.5、チタンのモル比を
0.4として、さらにポリエチレングリコール#400
(関東化学社製試薬 平均分子量380〜420)をゾ
ル中の金属酸化物に対して20重量%の割合で添加し
た。基板電極上にこのゾルを塗布後、400℃で仮焼成
する工程を三度繰り返すことで、膜厚0.9μmの非晶
質体多孔質ゲル薄膜を形成した。次に、この薄膜を拡散
炉を用いて酸素雰囲気中、500℃に加熱して5分間保
持し、さらに650℃に加熱して10分間保持してプレ
アニールを行った。その結果、0.6μm厚の結晶質の
緻密な薄膜を得た。以上の操作を15回繰り返した(す
なわち塗布の回数は45回であった)。RTA炉を用い
て酸素雰囲気中、700℃で5分間、さらに950℃で
1分間保持してアニールを行った。その結果、厚さ12
μmの圧電体薄膜が得られた。得られた圧電体薄膜上に
アルミニウム電極を蒸着法で形成し、その後分極して、
圧電体薄膜素子とした。 Example C3 A coating solution was prepared in the same manner as in Example C1, except that the molar ratio of magnesium was 0.033 and the molar ratio of niobium was 0.0.
67, zirconium molar ratio 0.5, titanium molar ratio 0.4, and polyethylene glycol # 400
(Kanto Chemical Co., Inc. reagent average molecular weight 380 to 420) was added at a ratio of 20% by weight to the metal oxide in the sol. After coating the sol on the substrate electrode, the step of calcination at 400 ° C. was repeated three times to form an amorphous porous gel thin film with a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was heated to 500 ° C. and held for 5 minutes in an oxygen atmosphere using a diffusion furnace, and further heated to 650 ° C. and held for 10 minutes for pre-annealing. As a result, a dense crystalline thin film having a thickness of 0.6 μm was obtained. The above operation was repeated 15 times (that is, the number of times of coating was 45 times). Annealing was performed by using an RTA furnace in an oxygen atmosphere at 700 ° C. for 5 minutes and further at 950 ° C. for 1 minute. As a result, thickness 12
A piezoelectric thin film of μm was obtained. An aluminum electrode is formed on the obtained piezoelectric thin film by vapor deposition, and then polarized,
A piezoelectric thin film element was used.
【0122】この圧電体薄膜の平均結晶粒径は0.08
μmであり、またこの素子の圧電ひずみ定数は170p
C/Nであった。またクラックの発生は観察されなかっ
た。さらにその断面には積層による層状の不連続面は存
在しなかった。The average crystal grain size of this piezoelectric thin film is 0.08.
μm, and the piezoelectric strain constant of this element is 170 p
It was C / N. In addition, no crack was observed. Furthermore, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0123】実施例D1 酢酸鉛0.110モル(鉛成分が10モル%過剰)と、
ジルコニウムアセチルアセトナート0.045モルと、
酢酸マグネシウム0.005モルとを30mlの酢酸
に、100℃に加熱して溶解させた。室温まで冷却し、
チタンテトライソプロポキシド0.040モルと、ペン
タエトキシニオブ0.010モルとをエチルセロソルブ
50mlに添加し溶解させた。アセチルアセトンを30
ml添加して安定化させた後、ポリエチレングリコール
#400(関東化学社製試薬 平均分子量380〜42
0)をゾル中の金属酸化物に対し30重量%の割合で添
加し、よく攪拌して均質なゾルとした。 Example D1 0.110 mol of lead acetate (10 mol% excess of lead component),
Zirconium acetylacetonate 0.045 mol,
0.005 mol of magnesium acetate was dissolved in 30 ml of acetic acid by heating at 100 ° C. Cool to room temperature,
0.040 mol of titanium tetraisopropoxide and 0.010 mol of pentaethoxyniobium were added and dissolved in 50 ml of ethyl cellosolve. 30 acetylacetone
After stabilizing by adding ml, polyethylene glycol # 400 (Kanto Chemical Co., Inc. reagent average molecular weight 380-42
0) was added at a ratio of 30% by weight with respect to the metal oxide in the sol and stirred well to form a homogeneous sol.
【0124】シリコン基板上に白金電極をスパッタ法で
形成し、その上に前記ゾルをスピンコートで塗布し、4
00℃で仮焼成した。その結果、クラックを生じること
なく、0.3μmの膜厚の非晶質の多孔質ゲル薄膜を形
成できた。更にゾルの塗布と400℃の仮焼成を2度繰
り返し、0.9μmの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成し
た。次にRTA炉を用いて酸素雰囲気中、5秒間で65
0℃に加熱して、1分間保持しプレアニールを行った。
その結果、0.6μmの膜厚の緻密な薄膜が得られた。
薄膜をエックス線解析により調べたところパイロクロア
型結晶ピークが検出された。また、反射型のFT−IR
(フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析)により調べた
ところ2900cm-1付近のメチレン基に起因する吸収
は検出されなかった。A platinum electrode was formed on a silicon substrate by a sputtering method, and the sol was applied thereon by spin coating.
It was calcined at 00 ° C. As a result, an amorphous porous gel thin film having a thickness of 0.3 μm could be formed without cracks. Further, application of sol and calcination at 400 ° C. were repeated twice to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm. Then, using an RTA furnace in an oxygen atmosphere for 65 seconds, 65
Pre-annealing was performed by heating to 0 ° C. and holding for 1 minute.
As a result, a dense thin film having a thickness of 0.6 μm was obtained.
When the thin film was examined by X-ray analysis, a pyrochlore type crystal peak was detected. In addition, reflective FT-IR
When examined by (Fourier transform infrared absorption spectrum analysis), no absorption due to a methylene group near 2900 cm -1 was detected.
【0125】こうして得られた薄膜に、さらに上で調整
したゾルをスピンコートにより塗布し、400℃に仮焼
成する工程を三度繰り返して、0.9μmの膜厚の非晶
質の多孔質ゲル薄膜の積層膜を得た。次にRTA炉を用
いて650℃で1分間保持することによりプレアニール
して、1.2μm厚の結晶質の緻密な薄膜を得た。得ら
れた基板をフォトレジストを用いてパターニングし、ホ
ウフッ酸でエッチングした。レジストを剥離した後、基
板をRTA炉を用いて酸素雰囲気中で900℃において
1分間保持してアニールした。1.2μm厚と厚みが変
わらない圧電体薄膜が得られた。この圧電体薄膜をエッ
クス線解析により調べたところペロブスカイト型結晶の
鋭く強いピークが検出された。また、シリコン基板を切
断しSEM(走査型電子顕微鏡)で薄膜断面を観察した
ところ、微小粒径の結晶が均質かつ緻密に分布し、積層
による層状の不連続面が存在しないことが確認された。
また、薄膜の試料を作成しTEM(透過型電子顕微鏡)
により、圧電体を観察したところ、平均粒径0.06μ
mの結晶粒から薄膜が構成されていることがわかった。
さらにクラックの発生も全くなかった。The process of applying the sol prepared above to the thin film thus obtained by spin coating and pre-baking at 400 ° C. was repeated three times to obtain an amorphous porous gel having a thickness of 0.9 μm. A thin laminated film was obtained. Next, it was pre-annealed by holding it at 650 ° C. for 1 minute using an RTA furnace to obtain a crystalline dense film having a thickness of 1.2 μm. The obtained substrate was patterned using a photoresist and etched with borofluoric acid. After removing the resist, the substrate was annealed by holding it at 900 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. A piezoelectric thin film having the same thickness of 1.2 μm was obtained. When the piezoelectric thin film was examined by X-ray analysis, a sharp and strong peak of perovskite type crystal was detected. In addition, when the silicon substrate was cut and the thin film cross section was observed with a SEM (scanning electron microscope), it was confirmed that crystals with a minute grain size were uniformly and densely distributed and that a layered discontinuous surface due to stacking did not exist. .
In addition, a thin film sample is prepared and TEM (transmission electron microscope)
By observing the piezoelectric body, the average particle diameter was 0.06μ.
It was found that the thin film was composed of m crystal grains.
Furthermore, no cracks were generated at all.
【0126】以上のようにして得られた圧電体薄膜上に
アルミニウム電極を蒸着法で形成し、その後分極して圧
電体薄膜素子とした。この素子の物性を測定したところ
比誘電率は2300、圧電ひずみ定数は170pC/N
と優れた特性を示した。Aluminum electrodes were formed on the piezoelectric thin film obtained as described above by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element. When the physical properties of this element were measured, the relative dielectric constant was 2300 and the piezoelectric strain constant was 170 pC / N.
And showed excellent characteristics.
【0127】PZT薄膜をフッ酸で溶かしICP(プラ
ズマ発光分析)で定量したところ、組成のモル比はP
b:Mg:Nb:Zr:Ti=1.04:0.05:
0.10:0.45:0.40であり、鉛の減少が若干
みられたものの、他の元素に関しては原料仕込組成と同
一であった。When the PZT thin film was dissolved in hydrofluoric acid and quantified by ICP (plasma emission analysis), the molar ratio of the composition was P.
b: Mg: Nb: Zr: Ti = 1.04: 0.05:
The ratio was 0.10: 0.45: 0.40, and although a slight decrease in lead was observed, other elements were the same as the raw material charging composition.
【0128】以上のようにして得られた圧電体薄膜素子
を用いたインクジェット記録ヘッドを実施例A1と同様
の方法により作成した。このインクジェット記録ヘッド
によりインクを吐出させたところ、充分な吐出力が得ら
れた。また、インクジェット記録装置に組み込んで印字
すると、良好な印字品質が得られた。An ink jet recording head using the piezoelectric thin film element obtained as described above was manufactured by the same method as in Example A1. When ink was ejected from this inkjet recording head, sufficient ejection force was obtained. In addition, when incorporated into an inkjet recording device and printed, good printing quality was obtained.
【0129】実施例D2 実施例D1と同様の方法で塗布液を調製したが、但し、
鉛成分を15モル%過剰とし、マグネシウムのモル比を
0.067とニオブのモル比を0.133、ジルコニウ
ムのモル比を0.45、チタンのモル比を0.35とし
て、さらにポリエチレングリコール#300(関東化学
社製試薬 平均分子量285〜315)をゾル中の金属
酸化物に対し30重量%の割合で添加した。基板電極上
にこのゾルを塗布後、400℃で仮焼成することで、膜
厚0.3μmの非晶質体多孔質ゲル薄膜を形成した。更
にゾルの塗布と400℃の仮焼成を2度繰り返し、0.
9μmの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成した。次にこの薄
膜をRTA炉を用いて酸素雰囲気中、急速に650℃に
加熱して1分間プレアニールした。その結果、0.6μ
m厚の結晶質の緻密な薄膜を得た。更に以上の操作を1
0回繰り返した(すなわち、塗布の回数は30回であっ
た)。その結果、厚さ6μmの圧電体薄膜が得られた。
RTA炉を用いて酸素雰囲気中850℃で1分間保持
し、アニールした。得られた圧電体薄膜上にアルミニウ
ム電極を蒸着法で形成し、その後分極して、圧電体薄膜
素子とした。 Example D2 A coating solution was prepared in the same manner as in Example D1, except that
With a lead component in an excess of 15 mol%, the molar ratio of magnesium is 0.067, the molar ratio of niobium is 0.133, the molar ratio of zirconium is 0.45, and the molar ratio of titanium is 0.35. 300 (Kanto Chemical Co., Inc. reagent average molecular weight 285 to 315) was added at a ratio of 30% by weight to the metal oxide in the sol. After coating this sol on the substrate electrode, it was calcined at 400 ° C. to form an amorphous porous gel thin film with a thickness of 0.3 μm. Further, sol application and calcination at 400 ° C. are repeated twice, and
A porous gel thin film having a thickness of 9 μm was formed. Next, this thin film was rapidly heated to 650 ° C. in an oxygen atmosphere using an RTA furnace and pre-annealed for 1 minute. As a result, 0.6μ
An m-thick crystalline dense film was obtained. Further operation 1
It was repeated 0 times (that is, the number of times of application was 30 times). As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 6 μm was obtained.
It was annealed by holding it in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 1 minute using an RTA furnace. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element.
【0130】この圧電体薄膜の平均結晶粒径は0.05
μmであり、またこの素子の比誘電率は2400、圧電
ひずみ定数は175pC/Nであった。またクラック発
生は観察されなかった。さらにその断面には積層による
層状の不連続面は存在しなかった。The average crystal grain size of this piezoelectric thin film is 0.05.
μm, the relative permittivity of this device was 2400, and the piezoelectric strain constant was 175 pC / N. No crack was observed. Furthermore, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0131】実施例D3 実施例D1と同様の方法で塗布液を調製したが、但し、
鉛成分を20モル%過剰とし、マグネシウムのモル比を
0.033とニオブのモル比を0.067、ジルコニウ
ムのモル比を0.5、チタンのモル比を0.4として、
さらにポリエチレングリコール#400(関東化学社製
試薬 平均分子量380〜420)をゾル中の金属酸化
物に対して20重量%の割合で添加した。基板電極上に
このゾルを塗布後、400℃で仮焼成する工程を三度繰
り返すことで、膜厚0.9μmの非晶質体多孔質ゲル薄
膜を形成した。次に、この薄膜を拡散炉を用いて酸素雰
囲気中、550℃で10分間プレアニールした。これに
よって0.6μm厚の結晶質の緻密な薄膜を得た。以上
の操作を15回繰り返した(すなわち、塗布の回数は4
5回であった)。その結果、厚さ12μmの圧電体薄膜
が得られた。RTA炉を用いて酸素雰囲気中950℃で
1分間保持し、アニールした。得られた圧電体薄膜上に
アルミニウム電極を蒸着法で形成し、その後分極して、
圧電体薄膜素子とした。 Example D3 A coating solution was prepared in the same manner as in Example D1, except that
With a lead component in an excess of 20 mol%, the molar ratio of magnesium is 0.033, the molar ratio of niobium is 0.067, the molar ratio of zirconium is 0.5, and the molar ratio of titanium is 0.4.
Further, polyethylene glycol # 400 (reagent average molecular weight of 380 to 420 manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added at a ratio of 20% by weight to the metal oxide in the sol. After coating the sol on the substrate electrode, the step of calcination at 400 ° C. was repeated three times to form an amorphous porous gel thin film with a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was pre-annealed at 550 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere using a diffusion furnace. As a result, a dense crystalline thin film having a thickness of 0.6 μm was obtained. The above operation was repeated 15 times (that is, the number of times of application was 4
It was 5 times). As a result, a piezoelectric thin film having a thickness of 12 μm was obtained. It was annealed by holding it in an oxygen atmosphere at 950 ° C. for 1 minute using an RTA furnace. An aluminum electrode is formed on the obtained piezoelectric thin film by vapor deposition, and then polarized,
A piezoelectric thin film element was used.
【0132】この圧電体薄膜の平均結晶粒径は0.08
μmであり、またこの素子の比誘電率は2300、圧電
ひずみ定数は185pC/Nであった。またクラックの
発生は観察されなかった。さらにその断面には積層によ
る層状の不連続面は存在しなかった。The average crystal grain size of this piezoelectric thin film is 0.08.
μm, the relative permittivity of this element was 2300, and the piezoelectric strain constant was 185 pC / N. In addition, no crack was observed. Furthermore, there was no layered discontinuous surface due to lamination in the cross section.
【0133】実施例A1と同様な方法で実施例D2およ
びD3の圧電体薄膜素子を用いたインクジェット記録ヘ
ッドを製造した。このヘッドを用いてインクを吐出させ
たところ、充分な吐出力が得られた。インクジェット記
録装置に組み込んで印字すると、良好な印字品質が得ら
れた。Inkjet recording heads using the piezoelectric thin film elements of Examples D2 and D3 were manufactured in the same manner as in Example A1. When ink was ejected using this head, sufficient ejection force was obtained. When printing was performed by incorporating the ink jet recording apparatus in an ink jet recording apparatus, good printing quality was obtained.
【0134】実施例E1 酢酸ビスマス0.002モルと、酢酸鉛0.103モル
と、ジルコニウムアセチルアセトナート0.045モル
と、酢酸マグネシウム0.005モルとを30mlの酢
酸に、100℃に加熱して溶解させた。室温まで冷却
し、チタンテトライソプロポキシド0.040モルと、
ペンタエトキシニオブ0.010モルとをエチルセロソ
ルブ50mlに溶解させて添加した。アセチルアセトン
を30mlを添加して安定化させた後、ポリエチレング
リコールをゾル中の金属酸化物に対し30重量%の割合
で添加し、よく攪拌して均質なゾルとした。 Example E1 0.002 mol of bismuth acetate, 0.103 mol of lead acetate, 0.045 mol of zirconium acetylacetonate and 0.005 mol of magnesium acetate were added to 30 ml of acetic acid and heated to 100 ° C. Dissolved. After cooling to room temperature, 0.040 mol of titanium tetraisopropoxide,
0.010 mol of pentaethoxyniobium was dissolved in 50 ml of ethyl cellosolve and added. After stabilizing by adding 30 ml of acetylacetone, polyethylene glycol was added at a ratio of 30% by weight with respect to the metal oxide in the sol, and well stirred to obtain a homogeneous sol.
【0135】シリコン基板上に白金電極をスパッタ法で
形成し、その上に前記ゾルをスピンコートで塗布し、4
00℃で仮焼成した。その結果、クラックを生じること
なく、0.3μmの膜厚の非晶質の多孔質ゲル薄膜を形
成できた。更にゾルの塗布と400℃の仮焼成を2度繰
り返し、0.9μmの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成し
た。次にこの薄膜をRTA炉を用いて酸素雰囲気中、5
秒間で650℃に加熱して、1分間保持しプレアニール
を行った。その結果、0.6μmの膜厚の緻密な薄膜が
得られた。この薄膜をエックス線解析により調べたとこ
ろパイロクロア型結晶ピークが検出された。また、反射
型のFT−IRにより調べたところ3400cm-1付近
の水酸基に起因する吸収は検出されなかった。A platinum electrode was formed on a silicon substrate by a sputtering method, and the sol was applied thereon by spin coating.
It was calcined at 00 ° C. As a result, an amorphous porous gel thin film having a thickness of 0.3 μm could be formed without cracks. Further, application of sol and calcination at 400 ° C. were repeated twice to form a porous gel thin film having a thickness of 0.9 μm. Next, this thin film was placed in an oxygen atmosphere using an RTA furnace for 5
Pre-annealing was performed by heating to 650 ° C. for 2 seconds and holding for 1 minute. As a result, a dense thin film having a thickness of 0.6 μm was obtained. When this thin film was examined by X-ray analysis, a pyrochlore type crystal peak was detected. Further, when examined by a reflection type FT-IR, absorption due to a hydroxyl group around 3400 cm -1 was not detected.
【0136】こうして得られた薄膜に、さらに上で調製
したゾルをスピンコートにより塗布し、400℃に仮焼
成する工程を三度繰り返して、0.9μmの膜厚の非晶
質の多孔質ゲル薄膜の積層膜を得た。次にこの積層膜を
RTA炉を用いて650℃で1分間保持することにより
プレアニールして、1.2μm厚の結晶質の緻密な薄膜
を得た。The step of applying the sol prepared above to the thin film thus obtained by spin coating and pre-baking at 400 ° C. was repeated three times to obtain an amorphous porous gel having a thickness of 0.9 μm. A thin laminated film was obtained. Next, this laminated film was pre-annealed by holding it at 650 ° C. for 1 minute using an RTA furnace to obtain a crystalline dense film having a thickness of 1.2 μm.
【0137】得られた薄膜をフォトレジストを用いてパ
ターニングし、ホウフッ酸でエッチングした。レジスト
を剥離した後、基板をRTA炉を用いて酸素雰囲気中で
900℃において1分間保持してアニールした。1.2
μm厚と厚みが変わらない圧電体薄膜が得られた。この
圧電体薄膜をエックス線解析により調べたところペロブ
スカイト型結晶の鋭く強いピークが検出された。また、
シリコン基板を切断しSEM(走査型電子顕微鏡)によ
り薄膜断面を観察したところ、微小粒径の結晶が均質か
つ緻密に分布し、積層による層状の不連続面が存在しな
いことが確認された。また、薄膜の試料を作成しTEM
(透過型電子顕微鏡)で、圧電体を観察したところ、平
均粒径0.03μmの結晶粒から薄膜が構成されている
ことがわかった。PZT薄膜をフッ酸で溶かしICP
(プラズマ発光分析)で定量したところ、モル比はP
b:Bi:Mg:Nb:Zr:Ti=0.98:0.0
2:0.05:0.10:0.45:0.40であり、
鉛の減少が若干みられたものの、他の元素に関しては原
料仕込組成と同一であった。The obtained thin film was patterned using a photoresist and etched with borofluoric acid. After removing the resist, the substrate was annealed by holding it at 900 ° C. for 1 minute in an oxygen atmosphere using an RTA furnace. 1.2
A piezoelectric thin film having a thickness equal to the μm thickness was obtained. When the piezoelectric thin film was examined by X-ray analysis, a sharp and strong peak of perovskite type crystal was detected. Also,
When the silicon substrate was cut and the cross-section of the thin film was observed by SEM (scanning electron microscope), it was confirmed that crystals having a fine grain size were uniformly and densely distributed, and that a layered discontinuous surface due to stacking did not exist. In addition, a thin film sample is prepared and TEM
Observation of the piezoelectric body with a (transmission electron microscope) revealed that the thin film was composed of crystal grains having an average grain size of 0.03 μm. ICP by dissolving PZT thin film with hydrofluoric acid
Quantitatively determined by (plasma emission analysis), the molar ratio was P
b: Bi: Mg: Nb: Zr: Ti = 0.98: 0.0
2: 0.05: 0.10: 0.45: 0.40,
Although a slight decrease in lead was observed, the composition of other elements was the same as the raw material charge composition.
【0138】本実施例において得られたPZT薄膜(圧
電体薄膜)の前記組成は(Pb+Bi):Mg:Nb:
Zr:Tiと書き直すと1.00:0.05:0.1
0:0.45:0.40となり、実施例A1と同一の組
成比となる。即ち、本実施例E1の圧電体薄膜の組成
は、実施例A1におけるPbの2%をBiで置換した構
造となった。得られた圧電体薄膜上にアルミニウム電極
を蒸着法で形成し、その後分極して圧電体薄膜素子とし
た。この素子の物性を測定したところ比誘電率は100
0、圧電ひずみ定数は120pC/Nの特性を示した。The composition of the PZT thin film (piezoelectric thin film) obtained in this example is (Pb + Bi): Mg: Nb:
Rewriting as Zr: Ti, 1.00: 0.05: 0.1
The ratio was 0: 0.45: 0.40, which is the same composition ratio as in Example A1. That is, the composition of the piezoelectric thin film of Example E1 had a structure in which 2% of Pb in Example A1 was replaced with Bi. An aluminum electrode was formed on the obtained piezoelectric thin film by a vapor deposition method and then polarized to obtain a piezoelectric thin film element. When the physical properties of this element were measured, the relative dielectric constant was 100.
0, the piezoelectric strain constant showed a characteristic of 120 pC / N.
【0139】本実施例による圧電体薄膜の特性を実施例
A1のそれと比較すると、比誘電率に於いて50%、圧
電歪み定数に於いて20%下回る。しかしながら本実施
例の圧電体薄膜は、圧電体薄膜素子の占有面積を大きく
したインクジェット記録ヘッドにおいて、発熱の観点か
ら極めて有利なものであった。Comparing the characteristics of the piezoelectric thin film according to this example with those of Example A1, the relative dielectric constant is 50% lower and the piezoelectric strain constant is 20% lower. However, the piezoelectric thin film of this example was extremely advantageous from the viewpoint of heat generation in an inkjet recording head in which the piezoelectric thin film element occupies a large area.
【0140】以上のようにして得られた圧電体薄膜素子
を用いて、インクジェット記録ヘッドを作成した。圧電
体薄膜およびインク流路の大きさは実施例A1と同一と
した。圧電体薄膜の圧電歪み特性の不足分を補う為、印
加電圧を20%大きくした。その結果、インクの飛行特
性を損なうこと無く、一方で圧電体薄膜の駆動時におけ
る発熱量を75%減少することが出来た。また吐出され
るインク滴量の増加を目的とし、インク流路の体積を増
した。具体的には、インク流路の幅を0.3mmから
0.4mmへ、圧電体薄膜の幅を0.2mmから0.3
mmへと変更した。圧電体薄膜即ちコンデンサの面積は
50%の増加となったが、比誘電率が小さい為に、コン
デンサ容量は25%減少し、発熱量を抑制することが出
来た。An ink jet recording head was prepared using the piezoelectric thin film element obtained as described above. The sizes of the piezoelectric thin film and the ink flow path were the same as in Example A1. The applied voltage was increased by 20% in order to compensate for the shortage of piezoelectric strain characteristics of the piezoelectric thin film. As a result, the amount of heat generated when the piezoelectric thin film was driven could be reduced by 75% without impairing the flight characteristics of the ink. In addition, the volume of the ink flow path was increased for the purpose of increasing the amount of ejected ink droplets. Specifically, the width of the ink flow path is changed from 0.3 mm to 0.4 mm, and the width of the piezoelectric thin film is changed from 0.2 mm to 0.3 mm.
mm. Although the area of the piezoelectric thin film, that is, the capacitor increased by 50%, the capacitance of the capacitor decreased by 25% because the relative dielectric constant was small, and the amount of heat generation could be suppressed.
【0141】実施例E2 ゾルの原材料に、酢酸ランタン0.005モル、酢酸鉛
0.998モル、ジルコニウムアセチルアセトナート
0.045モル、酢酸マグネシウム0.005モル、チ
タンテトライソプロポキシド0.040モル、ペンタエ
トキシニオブ0.010モルを用いた以外は実施例E1
と同様にして圧電体薄膜を形成した。 Example E2 As a raw material for the sol, 0.005 mol of lanthanum acetate, 0.998 mol of lead acetate, 0.045 mol of zirconium acetylacetonate, 0.005 mol of magnesium acetate and 0.040 mol of titanium tetraisopropoxide. Example E1 except that 0.010 mol of pentaethoxyniobium was used.
A piezoelectric thin film was formed in the same manner as in.
【0142】得られた圧電体薄膜の組成は、Pb:L
a:Mg:Nb:Zr:Ti=0.95:0.05:
0.05:0.10:0.45:0.40となり、(P
b+La):Mg:Nb:Zr:Tiと書き直すと1.
00:0.05:0.10:0.45:0.40となっ
た。即ち実施例A1の圧電体薄膜に於けるPbの5%を
Laと置換したこととなった。得られた圧電体薄膜の圧
電特性を分極後に測定したところ、その比誘電率は25
00、圧電歪み定数は140pC/Nであった。圧電体
薄膜のヤング率Yは5×1010Paとなり、実施例A1
の圧電体薄膜のヤング率Y=6×1010Paと比較して
柔らかい膜質となった。The composition of the obtained piezoelectric thin film was Pb: L.
a: Mg: Nb: Zr: Ti = 0.95: 0.05:
0.05: 0.10: 0.45: 0.40, and (P
b + La): Mg: Nb: Zr: Ti.
It became 00: 0.05: 0.10: 0.45: 0.40. That is, 5% of Pb in the piezoelectric thin film of Example A1 was replaced with La. When the piezoelectric characteristics of the obtained piezoelectric thin film were measured after polarization, the relative dielectric constant was 25.
00, the piezoelectric strain constant was 140 pC / N. The Young's modulus Y of the piezoelectric thin film was 5 × 10 10 Pa, and Example A1
The piezoelectric film had a softer film quality as compared with Young's modulus Y = 6 × 10 10 Pa.
【0143】実施例E3〜15 圧電体薄膜の化学式がxPb(Mg1/3 Nb2/3 )O3
−yPbZrO3−zPbTiO3(x,y,zはモル
比を表し、x+y+z=1)系圧電体材料において、こ
の化学式中のPb、Zr、Ti、Nbの一部、Mgの一
部または総てを他の元素で置換した圧電体薄膜を以下実
施例E2と同様にして調製した。 Examples E3 to 15 The piezoelectric thin film has a chemical formula of xPb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O 3
-YPbZrO 3 -zPbTiO 3 (x, y, z represents a molar ratio, x + y + z = 1) In a piezoelectric material, a part of Pb, Zr, Ti, Nb, a part of Mg in this chemical formula, or all of Mg A piezoelectric thin film in which was replaced with another element was prepared in the same manner as in Example E2.
【0144】PbをSr、Ca、またはBaと置換した
圧電体薄膜の比誘電率およびヤング率は表4に示される
通りであった。なお、ゾルの原料としては、Srはジエ
トキシストロンチウムを、CaおよびBaは各々酢酸塩
を用いた。Table 4 shows the relative permittivity and Young's modulus of the piezoelectric thin film in which Pb was replaced with Sr, Ca, or Ba. As the raw material of the sol, Sr was diethoxystrontium and Ca and Ba were acetates.
【0145】ZrおよびTiをSb、Fe、Alまたは
Crと置換した圧電体薄膜の比誘電率およびヤング率は
表5に示される通りであった。なお、ゾルの原料として
は、Sbはトリエトキシアンチモンを、Fe、Alおよ
びCrは各々酢酸塩を用いた。The dielectric constant and Young's modulus of the piezoelectric thin film in which Zr and Ti were replaced with Sb, Fe, Al or Cr were as shown in Table 5. As the raw material of the sol, triethoxyantimony was used for Sb, and acetates were used for Fe, Al, and Cr, respectively.
【0146】MgをCo、Zn、MnまたはNiと置換
した圧電体薄膜の比誘電率およびヤング率は表6に示さ
れる通りであった。なお、ゾルの原料としては、各々酢
酸塩を用いた。Table 6 shows the relative dielectric constant and Young's modulus of the piezoelectric thin film in which Mg was replaced with Co, Zn, Mn, or Ni. Acetate was used as the raw material of the sol.
【0147】NbをTaまたはSbと置換した圧電体薄
膜の比誘電率およびヤング率は表7に示される通りであ
った。なお、ゾルの原料としては、トリエトキシアンチ
モン、またはペンタメトキシタンタルを用いた。Table 7 shows the relative dielectric constant and Young's modulus of the piezoelectric thin film in which Nb was replaced with Ta or Sb. In addition, triethoxy antimony or pentamethoxy tantalum was used as a raw material of the sol.
【0148】[0148]
【表4】 [Table 4]
【0149】[0149]
【表5】 [Table 5]
【0150】[0150]
【表6】 [Table 6]
【0151】[0151]
【表7】 [Table 7]
【図1】本発明による圧電薄膜の好ましい組成を示す三
成分組成図である。FIG. 1 is a three-component composition diagram showing a preferable composition of a piezoelectric thin film according to the present invention.
【図2】本発明の第一の態様による圧電体薄膜の製造法
を模式的に表す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a method of manufacturing a piezoelectric thin film according to the first aspect of the present invention.
【図3】本発明の第二の態様による圧電体薄膜の製造法
を模式的に表す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a method of manufacturing a piezoelectric thin film according to the second aspect of the present invention.
【図4】本発明による圧電体薄膜を利用したインクジェ
ット記録ヘツドの摸式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of an inkjet recording head using a piezoelectric thin film according to the present invention.
11 基板 12 電極 13 多孔質ゲル薄膜 14 結晶質の緻密な薄膜 15 大きなペロブスカイト型結晶粒を有する圧電体薄
膜 21 シリコン基板 22 振動板 23 下電極 24 圧電体薄膜 25 上電極 26 第二基板 27 インクだめ11 substrate 12 electrode 13 porous gel thin film 14 crystalline dense thin film 15 piezoelectric thin film having large perovskite type crystal grains 21 silicon substrate 22 vibrating plate 23 lower electrode 24 piezoelectric thin film 25 upper electrode 26 second substrate 27 ink reservoir
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C04B 35/49 C04B 35/49 M H01L 21/316 H01L 41/08 C 41/09 41/22 A 41/24 (31)優先権主張番号 特願平7−322659 (32)優先日 平7(1995)12月12日 (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平7−322660 (32)優先日 平7(1995)12月12日 (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平7−322661 (32)優先日 平7(1995)12月12日 (33)優先権主張国 日本(JP) (72)発明者 村 井 正 己 長野県諏訪市大和三丁目3番5号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 高 橋 哲 司 長野県諏訪市大和三丁目3番5号 セイコ ーエプソン株式会社内Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI Technical display location C04B 35/49 C04B 35/49 MH01L 21/316 H01L 41/08 C 41/09 41/22 A 41/24 (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 7-322659 (32) Priority Day No. 7 (1995) December 12 (33) Priority claiming country Japan (JP) (31) Priority claim No. Japanese Patent Application No. 7- 322660 (32) Priority Day 7 (1995) December 12 (33) Priority claiming country Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application 7-322661 (32) Priority Day 7 (1995) 12 12th (33) Priority claiming country Japan (JP) (72) Inventor Masami Murai 3-5 Yamato 3-chome, Suwa City, Nagano Seiko Epson Corporation (72) Inventor Satoshi Takahashi Nagano Prefecture Seiko Epson Co., Ltd. 3-3-5 Yamato, Suwa-shi
Claims (20)
体薄膜であって、該薄膜が平均粒径0.005μm以上
0.2μm以下の結晶粒からなり、かつ薄膜断面に層状
の不連続面を有さない、圧電体薄膜。1. A piezoelectric thin film having a thickness of 0.5 μm or more and 20 μm or less, wherein the thin film is composed of crystal grains having an average grain size of 0.005 μm or more and 0.2 μm or less, and has a layered discontinuity in the thin film cross section. A piezoelectric thin film that does not have a surface.
3−yPbZrO3−zPbTiO3(ここで、x,
y,zはモル比を表し、x+y+z=1である)で表さ
れる三成分系(three-component system)圧電材料から
なり、かつ、この式の三成分系組成図において以下の
A、B、C、およびDの四点の範囲内にある組成を有す
る、圧電体薄膜。 A(x=0.05,y=0.40,z=0.55) B(x=0.05,y=0.60,z=0.35) C(x=0.25,y=0.30,z=0.45) D(x=0.25,y=0.50,z=0.25)2. The thin film is xPb (Mg 1/3 Nb 2/3 ) O.
3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (here, x,
y and z represent a molar ratio, and x + y + z = 1), which is composed of a three-component system piezoelectric material and is represented by the following A, B, and A piezoelectric thin film having a composition within the range of four points C and D. A (x = 0.05, y = 0.40, z = 0.55) B (x = 0.05, y = 0.60, z = 0.35) C (x = 0.25, y = 0.30, z = 0.45) D (x = 0.25, y = 0.50, z = 0.25)
[(Mg1/3 Nb2/3 )xZryTiz]O3(ここ
で、x,y,zはモル比を表し、x+y+z=1であ
る)で表され、x,y,zがこの式の三成分系組成図に
おいて、次のA、B、C、およびDの四点の範囲内にあ
り、 A(x=0.05,y=0.40,z=0.55)、 B(x=0.05,y=0.60,z=0.35)、 C(x=0.25,y=0.30,z=0.45)、 D(x=0.25,y=0.50,z=0.25)、そ
して前記式中のΓはSr、Ca、Ba、Bi、またはL
aの何れかの元素を表し、かつ前記式中のαは、0<α
≦0.2の関係を満たす任意の数である、圧電体薄膜。3. The piezoelectric thin film is Pb (1-α) Γα
[(Mg 1/3 Nb 2/3 ) xZryTiz] O 3 (where x, y and z represent molar ratios, and x + y + z = 1), where x, y and z are three In the composition chart of the component system, the following four points A, B, C, and D are present: A (x = 0.05, y = 0.40, z = 0.55), B (x = 0.05, y = 0.60, z = 0.35), C (x = 0.25, y = 0.30, z = 0.45), D (x = 0.25, y = 0. 50, z = 0.25), and Γ in the above formula is Sr, Ca, Ba, Bi, or L
represents any element of a, and α in the above formula is 0 <α
A piezoelectric thin film, which is an arbitrary number that satisfies the relation of ≦ 0.2.
n、およびNiから選択される元素によって置換され、
および/または前記薄膜が、前記式中のNbの一部が、
TaまたはSbによって置換され、および/または前記
式中のZrまたはTiの一部が、Sb、Fe、Al、お
よびCrから選択される元素によって置換された組成を
有する、請求項2または3記載の圧電体薄膜。4. In the thin film, a part or all of Mg in the formula is Co, Zn, M.
substituted by an element selected from n and Ni,
And / or the thin film is a part of Nb in the formula,
4. The composition according to claim 2 or 3, having a composition in which Ta or Sb is substituted and / or a part of Zr or Ti in the formula is substituted by an element selected from Sb, Fe, Al and Cr. Piezoelectric thin film.
Nb+Zr+Ti)=1〜1.2:1のモル比の範囲で
更に含有してなる、請求項2〜4のいずれか一項に記載
の圧電体薄膜。5. Pb: (Mg +
The piezoelectric thin film according to claim 2, further containing Nb + Zr + Ti) in a molar ratio range of 1 to 1.2: 1.
体薄膜を二枚の電極層に挟んでなる、圧電体薄膜素子。6. A piezoelectric thin film element, comprising the piezoelectric thin film according to claim 1 sandwiched between two electrode layers.
れか一項に記載の圧電体薄膜の製造法であって、 a)圧電体膜を構成する金属成分のゾルと、高分子化合
物とを含んでなるゾル組成物を、基板上に塗布し、乾燥
させて膜を形成する工程と、 b)得られた膜を焼成して、非晶質の金属酸化物を含ん
でなる多孔質ゲル薄膜を形成する仮焼成工程と、 c)得られた多孔質ゲル薄膜をアニールして、該膜を結
晶質の金属酸化物からなる膜とするプレアニール工程
と、 d)上記工程a)、b)、およびc)を少なくとも一回
以上繰り返し、結晶質の金属酸化物の積層膜を形成する
工程と、 e)工程d)で得られた膜をアニールして、該膜中のペ
ロブスカイト型の結晶粒を大きく成長させる工程とを含
んでなる、方法。7. A method for producing a piezoelectric thin film according to claim 1, which is a sol-gel method, comprising: a) a sol of a metal component constituting the piezoelectric film, and a polymer compound. A step of applying a sol composition containing a sol composition onto a substrate and drying the sol composition to form a film; and b) baking the obtained film to form a porous gel containing an amorphous metal oxide. A calcination step of forming a thin film, c) a pre-annealing step of annealing the obtained porous gel thin film to form a film made of a crystalline metal oxide, and d) the above steps a) and b). , And c) are repeated at least once to form a laminated film of crystalline metal oxide, and e) the film obtained in step d) is annealed to form perovskite-type crystal grains in the film. A step of growing a large amount of.
れか一項に記載の圧電体薄膜の製造法であって、 a)圧電体膜を構成する金属成分のゾルと、高分子化合
物とを含んでなるゾル組成物を、基板上に塗布し、乾燥
させて膜を形成する工程と、 b)得られた膜を焼成して、非晶質の金属酸化物を含ん
でなる多孔質ゲル薄膜を形成する仮焼成工程と、 f)上記工程a)およびb)を少なくとも一回以上繰り
返し、非晶質の金属酸化物を含んでなる多孔質薄膜の積
層膜を形成する工程と、 c’)前記積層膜をアニールして、該膜を結晶質の金属
酸化物からなる膜とするプレアニール工程と、 d’)上記工程f)、およびc’)を少なくとも一回以
上繰り返し、結晶質の金属酸化物からなる膜の積層膜を
形成する工程と、 e’)工程d’)で得られた膜をアニールして、該膜中
のペロブスカイト型の結晶粒を大きく成長させる工程と
を含んでなる、方法。8. A method for manufacturing a piezoelectric thin film according to claim 1, which is a sol-gel method, comprising: a) a sol of a metal component constituting the piezoelectric film, and a polymer compound. A step of applying a sol composition containing a sol composition onto a substrate and drying the sol composition to form a film; and b) baking the obtained film to form a porous gel containing an amorphous metal oxide. A calcination step of forming a thin film, f) a step of repeating the above steps a) and b) at least once to form a laminated film of porous thin films containing an amorphous metal oxide, and c ′. ) A pre-annealing step of annealing the laminated film to form a film made of a crystalline metal oxide, and d ′) the above steps f) and c ′) are repeated at least once, to obtain a crystalline metal. Obtained by the step of forming a laminated film of oxide films, and e ′) step d ′) And annealing the film, comprising a step of growing a large crystal grains of perovskite-type in the film, method.
g+Nb+Zr+Ti)=1〜1.2:1のモル比の範
囲で過剰とする、請求項7または8記載の圧電体薄膜の
製造法。9. The lead component in the sol is Pb: (M
9. The method for producing a piezoelectric thin film according to claim 7, wherein the excess is made in a molar ratio range of g + Nb + Zr + Ti) = 1 to 1.2: 1.
アニールを400℃〜800℃の範囲の温度で行う、請
求項7〜9のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の製造
法。10. The method for producing a piezoelectric thin film according to claim 7, wherein the pre-annealing in step c) or c ′) is performed at a temperature in the range of 400 ° C. to 800 ° C.
ールを600℃〜1200℃の範囲の温度で行う、請求
項7〜9のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の製造法。11. The method for producing a piezoelectric thin film according to claim 7, wherein the annealing in step e) or e ′) is performed at a temperature in the range of 600 ° C. to 1200 ° C.
ールを800℃〜1000℃の範囲の温度で行う、請求
項7〜9のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の製造法。12. The method for producing a piezoelectric thin film according to claim 7, wherein the annealing in step e) or e ′) is performed at a temperature in the range of 800 ° C. to 1000 ° C.
アニールを二段階に分けて行い、その第一段階を400
℃〜600℃の範囲の温度で行い、第二段階を600℃
〜800℃の範囲の温度で行う、請求項7〜9のいずれ
か一項に記載の圧電体薄膜の製造法。13. The pre-annealing in the step c) or c ') is performed in two steps, and the first step is 400 times.
℃ ~ 600 ℃ temperature range, the second step is 600 ℃
The method for producing a piezoelectric thin film according to any one of claims 7 to 9, wherein the method is performed at a temperature in the range of ~ 800 ° C.
ールを二段階に分けて行い、その第一段階を600℃〜
800℃の範囲の温度で行い、その第二段階を800℃
〜1000℃の範囲の温度で行う、請求項7〜9のいず
れか一項に記載の圧電体薄膜の製造法。14. The annealing in the step e) or e ′) is performed in two steps, and the first step is performed at 600 ° C.
Perform at a temperature in the range of 800 ℃, the second step is 800 ℃
The method for producing a piezoelectric thin film according to any one of claims 7 to 9, which is performed at a temperature in the range of to 1000 ° C.
薄膜の膜厚または前記工程f)において新たに形成され
る多孔質薄膜の膜厚が、0.01μm以上1μm以下で
ある、請求項7〜9のいずれか一項に記載の圧電体薄膜
の製造法。15. The film thickness of the porous thin film formed in the step b) or the film thickness of the porous thin film newly formed in the step f) is 0.01 μm or more and 1 μm or less. 10. The method for manufacturing a piezoelectric thin film according to any one of items 9 to 10.
た結晶質の金属酸化物かなる膜の積層膜を、前記工程
e)またはe’)の工程の前に、圧電体薄膜の形状にパ
ターニングする工程を含んでなる、請求項7〜9のいず
れか一項に記載の圧電体薄膜の製造法。16. A method of forming a laminated film of a film made of a crystalline metal oxide, obtained by the step d) or d ′), before the step e) or e ′). The method for manufacturing a piezoelectric thin film according to claim 7, comprising a step of patterning.
ポリエチレングリコールである、請求項7〜16のいず
れか一項に記載の圧電体薄膜の製造法。17. The method for producing a piezoelectric thin film according to claim 7, wherein the polymer compound added to the sol composition is polyethylene glycol.
ポリプロピレングリコールである、請求項7〜16のい
ずれか一項に記載の圧電体薄膜の製造法。18. The method for producing a piezoelectric thin film according to claim 7, wherein the polymer compound added to the sol composition is polypropylene glycol.
方法によって製造され得る、厚さ0.5μm以上20μ
m以下の圧電体薄膜であって、該薄膜が平均粒径0.0
05μm以上0.2μm以下の結晶粒からなり、かつ薄
膜断面に層状の圧電体薄膜。19. A thickness of 0.5 μm or more and 20 μm, which can be produced by the method according to claim 7. Description:
A piezoelectric thin film having an average particle size of 0.0 or less.
A piezoelectric thin film having a crystal grain size of from 05 μm to 0.2 μm and having a layered cross section.
に記載の圧電体薄膜を振動子として用いてなる、インク
ジェット記録ヘッド。20. An ink jet recording head, comprising the piezoelectric thin film according to claim 1 as a vibrator.
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